中子三軸譜儀二維位置靈敏探測器標定

黃朝強 宋建明 陳 波 盛六四

中子三軸譜儀二維位置靈敏探測器標定

黃朝強1,2宋建明1陳 波1盛六四2

1（中國工程物理研究院 核物理與化學研究所 綿陽 621900）
2（中國科學技術大學核科學技術學院 合肥 230026）

二維位置靈敏探測器(PSD)參數(shù)是中子散射譜儀實驗數(shù)據(jù)分析的必要參數(shù)，主要用于角度和譜形修正。為此提出了PSD標定方法，并對冷中子非彈性散射/三軸譜儀所使用的PSD探測器進行了標定，獲得了工作偏壓、像素大小、空間分辨、探測效率及效率均勻性等數(shù)據(jù)。實驗結果表明，探測器的工作偏壓為4.2?4.4 kV、像素大小為0.32 mm(H&V)、探測器的空間分辨為2.15 mm(H)×2.04 mm(V)、探測效率為90.47%、效率均勻性優(yōu)于10%，達到了譜儀設計要求。所建立的探測器測試方法對探測器研制和實驗數(shù)據(jù)分析具有參考價值。

探測器標定，二維位置靈敏探測器，空間分辨，探測效率，黑探測器

中子探測器系統(tǒng)是中子散射譜儀的核心系統(tǒng)之一，中子散射譜儀一般采用較大面積的探測器以覆蓋較大范圍的散射角[1]。目前主要有兩種位置靈敏探測器：一種是用一維位置靈敏的3He管組成的探測器或陣列[2]，另一種是充有高壓3He工作氣體的二維位置靈敏的多絲正比室(PSD)[3?4]。前者結構簡單、可靠性好、便于靈活排列成所需的探測面積，因各支3He管獨立計數(shù)而可達到很高計數(shù)率，但數(shù)據(jù)獲取電子學系統(tǒng)比較復雜、位置分辨率低。后者原生二維位置靈敏、分辨率高、數(shù)據(jù)獲取電子學比較簡單，但結構比較復雜、價格昂貴且穩(wěn)定性不如3He管。中物院新建冷中子非彈性散射/三軸譜儀CTAS[5]采用PSD探測器以提高數(shù)據(jù)采集效率，主要用于研究凝聚態(tài)物質的元激發(fā)等能量過程和動力學性質，例如晶體材料聲子譜和聲子態(tài)密度、磁振動與自旋漲落、聚合物和生物大分子的晶格動力學、軟模相變、自旋波色散等研究。本文系統(tǒng)研究了所用PSD探測器，提出了標定測試方法，給出了探測工作偏壓、像素大小、空間分辨、探測效率以及效率均勻性等數(shù)據(jù)。

1 探測器結構

所測試探測器為CTAS裝置的200 mm×200mm的二維位置靈敏探測器(PSD)，其結構如圖1所示。設計技術指標為：探測器工作區(qū)面積為200mm× 200mm，探測深度33mm，位置分辨率不低于2mm，對波長為0.25?1.25nm內(nèi)的中子探測效率大于80%，3He氣體為3個大氣壓。

圖1 CTAS探測器前(a)和后(b)結構Fig.1 Front (a) and back (b) structure of CTAS detector.

2 方法與測試結果

探測器帶中子束的標定實驗是在布達佩斯中子中心(BNC)的三軸譜儀ATHOS[6]上進行，測試所用中子束通過聚焦Cu單色器從冷中子導管上引出，波長λ分別為0.572 nm和0.286 nm(次級)；束流發(fā)散度20'。

2.1工作電壓確定

工作電壓主要指探測器的前置放大器偏高壓(HV)。對不同的探測器，HV可以通過逐步升高偏置電壓，觀察并記錄示波器上信號強度得到，圖2展示了所測探測器的偏壓響應曲線。由圖2，首先隨著偏置電壓的升高，中子計數(shù)會越來越多，達到一定閾值后變化會非常緩慢，之后隨著偏壓升高，γ信號的貢獻越來越大，計數(shù)會隨之繼續(xù)升高。中間緩慢變化區(qū)域就是探測器的工作偏壓范圍，通常用寬度和斜率來表示。CTAS探測器的工作偏壓最佳值為4.3 kV，工作高壓為4.2?4.4 kV，區(qū)間的斜率為0.714/100 V。

圖2 CTAS探測器的響應曲線Fig.2 Plateau curve of CTAS detector.

2.2像素與空間分辨測定

探測器的像素大小是探測器的重要參數(shù)，由探測器工作絲陣結構和信號讀出電子學系統(tǒng)共同決定。通常，探測器空間分辨尺度內(nèi)至少有五個以上的像素，它是探測器位置分辨能力的反映。在探測器工作區(qū)域貼上一100 mm×110 mm×1 mm的鎘片,鎘片上開有0.5 mm寬、長60mm的狹縫。測量一定時間，在PSD上可獲得一個圖像。測試時調(diào)整/旋轉Cd片位置，使其狹縫方向盡量與探測器平行。這樣可以對像素疊加，使得在短時間內(nèi)獲得較好統(tǒng)計性數(shù)據(jù)。通過調(diào)整狹縫分別為垂直和水平方向，測量獲取PSD上圖譜(圖3)。由于狹縫和鎘片尺寸已知，由PSD上對應圖譜的像素數(shù)目，可得探測器在水平和垂直方向的像素大小和空間分辨率。

圖3 垂直(a)和水平(b)像素大小標定的測試圖譜(實線區(qū)分析垂直大小，虛線區(qū)分析水平大小)Fig.3 Test pattern for vertical (a) and horizontal (b) pixel size calibration. (solid line ROI for vertical size analysis and dotted ROI for horizontal)

2.3探測效率與均勻性測試

探測器效率直接影響實驗數(shù)據(jù)的采集效率，對于多探測器因效率差異還會影響實驗譜圖。探測器效率標定采用效率高(＞99%)且已經(jīng)標定的探測器進行。實驗采用充有8個大氣壓3He和1個大氣壓CF4的25 mm×25 mm×33 mm的黑探測器，通過收集陽極上的信號來獲得探測信號。用開有Φ10 mm圓孔的鎘擋板置于PSD前方，擋板與PSD之間預留能放入黑探測器空間，用PSD探測器測試100 s，得到如圖4(b)所示的數(shù)據(jù)，探測器在圖4(b)所示區(qū)域累積計數(shù)ND為2129086。然后再放入黑探測器，測試相同時間，得到如圖4(a)所示的數(shù)據(jù)，相同區(qū)域累積計數(shù)ND1為13542。將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接至黑探測器信號，設置偏壓3.2 kV，測試相同時間100s，得到對應黑探測器的計數(shù)NB為2338270。

圖4 插入(a)和沒有(b)黑探測器測量100 s在CTAS探測器獲得的圖譜Fig.4 100 s patterns on CTAS detector with (a) and without (b) the black detector in the beam.

對于PSD探測器系統(tǒng)，各探測單元效率是否均勻，直接影響所獲取中子散射實驗譜的形狀，從而關系實驗結果的可靠性。在數(shù)據(jù)分析中，如果各探測單元效率不一致，必須對數(shù)據(jù)進行效率修正[7]。在單色器被測PSD探測器之間放一厚度約3 cm的樹脂玻璃，使單色化出來的中子束散射后各向同性、均勻地覆蓋探測器，測試結果如圖5所示。圖中亮斑是由于樹脂玻璃厚度不足，致使束流完全發(fā)生各向同性散射的直穿束斑。

圖5 均勻性測試的PSD探測圖譜Fig.5 PSD pattern of homogeneity test.

3 結果分析與討論

3.1邊界識別方法

在PSD前端擋一塊鎘吸收材料，吸收材料邊在PSD上的圖譜也存在一個邊界。在邊界處，中子強度會有明顯的躍變(圖3)。由于衍射效應，躍變是連續(xù)過渡的，類似于誤差函數(shù)但有所不同。為此，添加了背底A、幅度B，橫坐標x改為由中心x0和標準誤差σ(邊界標準寬度)調(diào)制的坐標：

通過參數(shù)可調(diào)制曲線斜率和寬度，還可在x-y坐標系上平移，從而滿足邊界識別的需要。

3.2像素大小分析

通過外邊尺寸已知鎘片在PSD上投影圖譜的對應外邊尺寸給出像素大小。圖6給出了從PSD上提取數(shù)據(jù)的區(qū)域以及相應區(qū)域按列平均得到的分布曲線。分別用式(1)對邊界進行擬合，得到上部曲線(圖6)的左右邊界對應248.14像素和589.14像素，110 mm對應341.00像素，由此可得探測器的水平方向的像素尺寸為0.32 mm/pixel。

圖6 水平方向像素大小刻度Fig.6 Calibration of horizontal size of pixel.

同樣選擇有被鎘片遮擋區(qū)域(圖3b實線區(qū))的數(shù)據(jù)按行求平均，得到一條跨過鎘片的分布曲線。采用式(1)對邊界進行擬合，得到上邊界和下邊界對應300.49像素和645.10像素，110 mm對應344.61像素，即0.319 2 mm/pixel?？梢?，探測器的垂直與水平方向的像素分辨率均為0.32 mm/pixel。

3.3空間分辨分析

對圖3(b)虛線區(qū)所示區(qū)域數(shù)據(jù)按列平均，得到圖7所示垂直方向的曲線；選擇不同行數(shù)求平均可以檢驗狹縫是否垂直，進而檢驗求和統(tǒng)計的有效性。由圖7，從450?575行依次遞減20行得到的一系列數(shù)據(jù)具有很好的一致性，說明鎘片的放置與探測器是完全平行的。對450?575行求均值曲線分別用邊界函數(shù)擬合外邊界得到100 mm對應306.80 pixels；而0.5 mm狹縫對應束斑半高寬(FWHM)為8.09 pixels。根據(jù)這兩點數(shù)據(jù)作直線擬合，得直線方程為：

可見，當狹縫為0時對應束斑水平方向大小為6.73 pixels。帶入像素尺寸數(shù)據(jù)可以得到，探測器水平方向上的分辨為2.15 mm。

圖7 水平方向分辨率分析Fig.7 Analysis of horizontal spatial resolution.

同樣分析狹縫垂直放置獲得的探測器數(shù)據(jù)(圖3a)。對不同列數(shù)據(jù)按行求平均得到類似曲線，不同列數(shù)據(jù)除強度有變化外，譜的形狀幾乎沒有變化。對其中一條曲線中的峰用高斯函數(shù)擬合得到，0.5mm狹縫透過束流的FWHM為7.90 pixels。結合獲得的110 mm對應344.61像素信息，可以得到像素與物理尺寸的關系：

可見，當狹縫為0 mm時對應束斑垂直方向大小為6.36 pixels。帶入像素尺寸數(shù)據(jù)可以得到，探測器垂直方向上的分辨為2.04 mm。

3.4探測效率

假定中子束流穩(wěn)定，這對穩(wěn)態(tài)反應堆源是合理的。黑探測器的透過率T可通過放入黑探測器前和后PSD的計數(shù)ND和ND1由式(4)計算得到：

這里由于是相同探測器測試，因此PSD的效率εD對透過率T沒有影響。將圖4(a)和(b)中放入黑探測器前、后獲得的PSD的累積計數(shù)ND=2129086和ND1=13 542代入式(4)，得到結果T為0.64%。因PSD探測器采用鋁材料設計，其6 mm厚的鋁對中子的吸收幾乎可以忽略，因此吸收率1?T=99.36%，可以視為全部由3He吸收引起，也即為探測器效率εB，所以εD=NDεB/NB。將連接黑探測器信號、測試相同時間100 s獲得的黑探測器計數(shù)NB代入，得到探測器的效率90.47%。

3.5效率均勻性

所用的樹脂玻璃厚度并不足以完全使中子束形成各向同性散射束，而是在探測器上留下了明顯的直穿束束斑(圖5)。為了分析均勻性，選擇直穿束旁邊的兩區(qū)域分別用于垂直和水平方向的均勻性，看出強度均勻性優(yōu)于±10%。該偏差包涵了由于各像素對入射束所張立體角的差異，是效率分布和立體角分布的卷積，在數(shù)據(jù)分析中正是采用這一卷積對實驗數(shù)據(jù)進行修正[7]。

4 結語

二維位置靈敏探測器是新近發(fā)展起來的一種新型探測器，本文對用于非彈性散射譜儀的二維位置靈敏探測器標定，建立了相應的標定方法，實驗分析得到了該探測器的工作偏壓為4.2?4.4 kV、像素大小為0.32 mm(H&V)、探測器的空間分辨為2.15mm(H)×2.04 mm(V)、探測測效率為90.47%，與設計指標一致。對二維位置靈敏探測器的分析所建立的探測器標定方法，對PSD探測器研制和用PSD探測器譜儀的數(shù)據(jù)分析均具有參考意義。

1 Squires G L. Introduction to the theory of thermal neutron scattering[M]. London: Cambridge,1978: 1?9

2 Kamiyama T, Oikawa K, Tsuchiya N, et al. A new TOF neutron powder diffractometer with arrays of one-dimensional PSD's[J]. Physica B: Condensed Matter, 1995, 213–214(1?4): 875?877

3 Berkowitz E H. A position sensitive neutron detector[J]. Nuclear Instruments and Methods, 1969, 73(2): 225?227

4 Boie R A, Fischer J, Inagaki Y, et al. Two-dimensional high precision thermal neutron detector[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 1982, 200(2–3): 533?545

5 CTAS-cold-neutron triple axis spectometer[E/OL]. 2013. http://npl.caep.ac.cn/kfjl/kfcs/19060.shtml

6 Gyula T. ATHOS-three-axis spectrometer on neutron guide[E/OL]. 2013. http://www.bnc.hu

7 Huang C Q, Xia Q Z, Yan G Y, et al. A new package: MySAS for small angle scattering data analysis[J]. Nuclear Science and Techniques, 2010,21(6): 325?329

Calibration of two-dimensional position sensitive detector of triple-axis neutron spectrometer

HUANG Chaoqiang1,2SONG Jianming1CHEN Bo1SHENG Liusi2
1(Institute of Nuclear Physics and Chemistry, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)
2(College of Nuclear Science and Technology, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

Background:A 200 mm×200 mm two-dimensional positional sensitive detector (PSD) has been designd and constructed for the cold-neutron triple axis spectrometer (CTAS). The parameters of the PSD are necessary for evaluation and analysis of neutron scattering pattern obtained on CTAS and other instrument using PSD, mainly for the correction of angle and spectral shape due to the unequal solid angle and inhomogeneous efficiency of the flat PSD.Purpose:In order to obtain the working bias voltage, pixel size, spatial resolution, detection efficiency and its uniformity, a calibration method was proposed and tested for the PSD of CTAS.Methods:The calibration was carried out at the ATHOS three-axis spectrometer installed at the neutron guide No.1 of the 10-MW steady state reactor of the Budapest Neutron Centre. The focusing copper monochrometer provided well collimated (20' divergence) neutron beam of wavelength equal to 0.572 nm with the second order equal to 0.286 nm. A black neutron detector having ＞99% efficiency at these wavelengths coated with boron shielding was used for efficiency test and a 0.5-mm wide Cd slit was used for the determination of pixel size and spatial resolution of the PSD.Results:The experimental results show that the working bias voltage is 4.2?4.4 kV, pixel size 0.32 mm (H&V), the detector spatial resolution of 2.15 mm(H)×2.04 mm(V), the detection efficiency of 90.47% and the efficiency uniformity better than 10%.Conclusion:The established method was successfully used in the PSD calibration, which can be extended to PSD R&D and data analysis of neutron spectrometer.

Detector calibration, Position sensitive detector, Spatial resolution, Detection efficiency, Black detectorCLCTL816+.3

TL816+.3

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.120401

國家自然科學基金(11105128)、中國工程物理研究院中子物理學重點實驗室課題(2012AB02)資助

黃朝強，男，1981年出生，2006年于中國工程物理研究院獲碩士學位，博士研究生，從事中子散射技術與應用研究

2013-08-14，

2013-09-16