12C(n,p)12B反应双微分截面测量实验方法研究

CSNS Back_n white neutron source is a well-performed plat form for nuclear data measurement in China. The Light-charged Particle Detector Array (LPDA) is built at Back_n facility for (n,x) reaction measurement. (n,x) reaction data is important in nuclear energy, nuclear astrophysics and nuclear physics. The experiment data of 12C(n,p)12B reaction is scarce and has large differences in several estimated libraries. We proposal a double differential measurement of 12C(n,p)12B reaction at LPDA with 16 ΔE-ΔE-E telescope units. The measurement covers the angular region from 0°to 160°and neutron energy region up to 40MeV. This research mainly contains the simulation of particle production and angular distribution, digital signal processing and physical event data analysis. Several algorithms will be developed in the digital signal processing such as digital filter, digital timing and pulse shape discrimination. The combination of ΔE-E method and pulse shape discrimination method will be used in the particle identification process for a higher PID efficiency. The particle count and reaction branch ratio will be deduced after the background subtraction of particle spectrum and fitting of distribution. The measured data will be normalized to the standard cross section to get the absolute cross section. This research will perform a system measurement on the 12C(n,p)12B reaction.

CSNS反角白光中子源装置为我国中子核数据研究提供了一个很好的实验平台。反角白光中子源上规划建设了轻带电粒子探测器阵列（LPDA），用于(n,x)反应的测量研究。(n,x)反应数据是核能、天体物理和核物理研究中的重要参数。在各类(n,x)反应中，12C(n,p)12B反应双微分截面实验测量数据较为缺乏且不同评价库给出的截面数据差异较大。本研究将在LPDA装置上进行12C(n,p)12B反应双微分截面实验测量，使用16个ΔE-ΔE-E望远镜单元，在大角度区间（0°到160°）和宽中子能区（一直到40MeV）内测量反应的双微分截面。本研究将采用数字滤波、数字定时、脉冲形状甄别等多种算法，对原始波形进行处理分析并提高粒子鉴别效率。通过对测量得到的粒子能谱进行本底扣除和峰形拟合，得到粒子统计与反应道分支比。通过标准截面归一数据得到测量截面。本研究将提供系统的12C(n,p)12B反应实验数据。

本项目首先研究了基于CSNS白光中子源LPDA装置开展12C(n,p)12B反应的可行性研究，使用Geant4构建了探测器模型，建立反应动力学模型，并得到了不同角度的探测器单元的“中子能量-探测器能量”二维分布及粒子鉴别二维分布。反应动力学模拟结果表明，碳靶中吸附的氢原子与入射中的的弹性散射事例会和12C的(n,p)反应事例交叠，造成无法有效区分质子的来源反应道。为解决此问题，经过研究分析，提出了采用白光中子源TPC的实验方案。目前白光中子源TPC已经完成原型机测试并具备开展物理实验的条件，基于TPC装置，使用TPC工作气体中CO¬2的C原子作为靶核，可以开展本项目需要研究的反应的实验测量。本项目研究中开展了基于TPC的中子束流实验，研究了实验数据中波形拟合算法与径迹重建算法，研究了基于多层感知机的反应道鉴别方法，最终得到了不同反应道的飞行时间谱与中子能谱。由于探测器的能量分辨与时间分辨的限制，反应道的鉴别效率有待提高。在分析中同时得到了中子与40Ar反应的飞行时间谱和中子能谱，这也是本项目研究中得到一个重要实验成果。为提高高能中子能区的能量分辨率，本项目还研究了在CSNS双束团运行模式下的解谱方法。