基于硅光倍管阵列的高性能闪烁体中子探测器研究

Neutron scattering techniques are playing an important role in the study of material structure and dynamic properties, which are widely used in various subjects. The neutron scattering spectrometers for China advanced research reactor (CARR), Chinese spallation neutron source (CSNS) and other large neutron science device require the neutron detector with high detection efficiency and high position sensitive. 3He neutron detector is an ideal one for many neutron spectrometers. However, due to the shortage of 3He gas and the rapidly increasing price, seeking new neutron detectors to replace 3He neutron detector are urgent. The advantages of scintillator detector, including high position resolution, low n/γ rejection ratio, real-time detecting and so on, make it widely used in many neutron instruments. .The investigation of the two-dimensional position sensitive scintillator neutron detector based on the silicon photomultipliers arrays includes: the sandwich structure of oblique-incident double layers of the 6LiF/ZnS(Ag) scintillator and the wavelength-shifting fibers (WLSFs) is chosen to increase the neutron detect efficiency and the position resolution; the silicon photomultipliers（SiPMs） arrays with high gain, low cost, could working in strong magnetic field environment, are used to readout the light signals; the fast ASIC electronics and data acquisition system are designed to get high detector effciency and in-time two-dimensional show. .The detector also has the advantages of small dead zone, can be quickly joined together to a large area. These make it could be a good alternative detector for the neutron scattering instruments.

中子散射技术是研究物质结构和动力学性质的理想探针，已在众多学科领域研究中被广泛应用。随着中国散裂中子源(CSNS) 、中国先进研究堆(CARR)等大型中子科学装置的建成和陆续投入使用, 大量中子散射谱仪要求具有大面积、高探测效率、高位置精度的高性能中子探测器系统。受限于3He气体资源的日益匮乏，国际上寻找替代3He的新型中子探测器一直是研究热点。本项目提出一种基于硅光倍管阵列读出的位敏型闪烁体中子探测器，其利用斜入射的6LiF/ZnS(Ag)闪烁体和波移光纤组成对称夹心结构，实现较高的中子探测效率和二维位置分辨能力。光读出采用高性能低成本的硅光倍管阵列，配套快速读出的ASIC电子学及数据获取系统，最终实现探测器髙探测效率和高位置分辨能力。该探测器同时还具有小死区、可快速拼接等优点，未来可以在中子谱仪上大面积推广使用，很好解决国内中子谱仪对国产中子探测器的迫切需求。

中子是研究物质结构和动力学性质的理想探针，中子散射技术已在凝聚态物理、化学、生命科学、材料科学等多学科领域的研究中被广泛采用。高性能中子探测器是中子散射实验中的关键设备，随着新一代中子科学装置性能的提高，对中子探测器的性能提出了新的挑战。要求探测器具有高计数率，高探测效率，灵敏面积大，n/gamma抑制比好，同时具有高的位置分辨率(~mm)等。传统的3He型探测器由于价格高昂，研制新型大面积阵列型中子探测器迫在眉睫。本项目研究的基于硅光倍管阵列读出的大面积位敏闪烁体中子探测器，其利用斜入射的6LiF/ZnS(Ag)闪烁体和波移光纤组成对称夹心结构，实现较高的中子探测效率和位置分辨能力。光电信号转换采用高性能、高集成和低成本的硅光倍管（Si-PM），配套专业低功耗高集成度的ASIC电子学及数据获取系统，最终实现探测器高探测效率、高位置分辨、小死区、可大面积拼接的优异性能。本项目首先利用MC模拟实现对探测器的最佳光路设计参数，其次研究探测器的核心器件---中子闪烁屏、波移光纤和SiPM读出器件的性能参数，确定实际应用于探测器的参数型号，根据探测器的各关键器件的性能研究，结合MC模拟结果，设计并制作探测器样机，并在散裂中子源上开展相应的中子束线测试。 探测器样机的最终测试结果表明，探测器面积为20cm×20cm，热中子探测效率好于60％@2Å，位置分辨达为3mm，所有指标均好于最初的申请书所列出的物理设计指标。该探测器还具有小死区、可快速拼接等优点，实现批量生产后未来可以在中子谱仪上大面积推广使用，很好解决未来国内新一代中子源上中子谱仪对大空间立体角覆盖的高集成中子探测器的需求。