清华大学工程物理系 导师：李玉兰，李金，邓智，程晓磊 博士生：黄孟，牛莉博，章洪燕，闫洋洋 日期：2014.12.19 nTPC中子束流测试实验 清华大学工程物理系 导师：李玉兰，李金，邓智，程晓磊 博士生：黄孟，牛莉博，章洪燕，闫洋洋 日期：2014.12.19

内容提要 课题研究背景及意义 nTPC简介与优势 中子束流实验目的与内容 中子束流实验装置 初步数据分析与实验结果

课题研究背景 在许多科学研究和工程应用中，需要中子能谱仪来精确测量快中子能谱，如中子场参数的确定、热核聚变等离子体诊断等。 快中子能谱仪的应用领域： 核物理实验中核反应截面的测量 反应堆工作状态监控 散列中子源的性能标定 天文观测中特殊星体和物理机制的研究 国土安全领域特殊核材料的检测 中子辐射防护的设计 热核聚变等离子体诊断

nTPC工作原理 工作原理 中子能量 𝑬 𝒏 = 𝑬 𝒑 𝒄𝒐𝒔 𝟐 𝜽 = 𝑬 𝒑 𝟏+ 𝒕𝒂𝒏 𝟐 𝜽 = 𝑬 𝒑 𝟏+ 𝟏 𝒌 𝟐 中子能量 𝑬 𝒏 = 𝑬 𝒑 𝒄𝒐𝒔 𝟐 𝜽 = 𝑬 𝒑 𝟏+ 𝒕𝒂𝒏 𝟐 𝜽 = 𝑬 𝒑 𝟏+ 𝟏 𝒌 𝟐 质子能量 𝑬 𝒑 ：统计各pad上收集到的总电荷量可得 质子径迹斜率 𝒌：利用pad坐标和电子相对漂移时间进行三维质子径迹重建

相比传统中子能谱仪的优势 nTPC工作气体同时也是中子-质子转换体，避免了使用转换膜造成的能量歧离，有助于实现较高的能量分辨率； 由于电子的dE/dx值明显低于质子的dE/dx值，可以据此区分γ事例和中子事例，实现较高的n/γ抑制比。

中子束流实验的目的和内容 目的 内容 对nTPC系统进行能量刻度； 研究nTPC对快中子（1MeV~5MeV）测量的基本性能，包括能量分辨率和探测效率等等。 内容 利用nTPC测量1.2MeV、1.81MeV、2.5MeV、5MeV的中子束流； 中子束流由401剂量与校准技术实验室的加速器给出，其中1.2MeV、1.81MeV、2.5MeV中子束流通过T(p,n)3He核反应产生；5MeV中子束流由2H(d,n)3He核反应产生。

中子束流实验装置 401计量与校准技术加速器束流大厅 水平监视器 靶点位置 束流管道 DAQ DAQ电源 nTPC PE准直器 CASA-GEM 石蜡屏蔽体

中子束流实验装置 Table.1 nTPC系统工作参数 工作气体 Ar-CH4(70:30) GEM电压 350V 漂移电场 ~200V/cm 电子学通道 448 channels DAQ参数 25MHz, 12bit 读出pad分布图

可以将nTPC对大厅散射中子的响应事例率与准直入射中子相当 准直器与屏蔽体 中子准直器方案设计 实验现场照片 Geant4优化准直器设计 长度50cm，孔径20mm，聚乙烯材料 准直器 屏蔽体 靶点 大厅散射中子本底模拟 入射中子能谱 20cm厚石蜡屏蔽效果模拟 出射中子能谱 可以将nTPC对大厅散射中子的响应事例率与准直入射中子相当

数据处理流程（初步分析） 信号甄别：能量阈值约为2keV 增益一致性校正：GEM+电子学 Hit寻找：Timing cut+Hough变换 事例筛选：去除γ、散射中子本底 质子径迹拟合：基于Hit的WLS算法 质子信息重建：能量、角度重建 中子能量重建：En=Ep / cos2θ

参数修正 1 𝐸 𝑛 ′ vs. 𝑡𝑎𝑛 2 𝜃 ′ 1+ 𝑡𝑎𝑛 2 𝜃 ′ ①弹道亏损导致信号脉宽增大，幅度变小 时间重心表征时间信息 积分面积表征能量信息 未进行弹道亏损修正 进行弹道亏损修正后 重建中子能量 vs. 重建θ角度 重建中子能量 vs. 重建θ角度 ②模拟的电子漂移速度与真实值存在误差 1 𝐸 𝑛 ′ vs. 𝑡𝑎𝑛 2 𝜃 ′ 1+ 𝑡𝑎𝑛 2 𝜃 ′ 1 𝐸 𝑛 ′ = 1 𝐸 𝑛 + 𝑣 𝑑 ′ 𝑣 𝑑 2 −1 𝐸 𝑛 ∙ 𝑡𝑎𝑛 2 𝜃 ′ 1+ 𝑡𝑎𝑛 2 𝜃 ′ 未修正漂移速度 𝑣 𝑑 ′ =7cm/us 修正漂移速度 𝑣 𝑑 =5.1cm/us

系统通道增益不一致性的修正 宇宙线校正增益不一致性原理图 Pad能谱的Landau拟合 重建宇宙线径迹的天顶角 GEM膜增益不一致性 电子学通道增益不一致性 探测器增益稳定性测量 扣除电子学通道不一致性后, GEM膜增益不一致性(σ)：9.5% 由之前电子学标定实验给出通道之间的不一致性(σ) ：6.8% 增益的晃动：1.1%(4天)

质子径迹过长，部分能量沉积在GEM膜上表面，pad未能将质子能量收集完全。 本底的抑制与事例的筛选 粒子径迹长度 vs. 能量沉积 nTPC本底分析 γ本底事例 Table.2 Analysis of background particles 模拟结果 本底粒子种类 粒子来源 甄别方法 1H 散射中子与气体碰撞 起始位置 4He 散射中子与漂移极(n,α)反应 6C, 18Ar 中子与气体碰撞 射程与能量 e- γ光子与气体反应 有效质子事例 γ事例 端部效应质子 端部效应 质子径迹过长，部分能量沉积在GEM膜上表面，pad未能将质子能量收集完全。 能量沉积 vs. 重建θ角度

重建中子能谱与能量刻度 重建中子能谱 能量沉积 vs. 重建θ角度 Cut选择：dep>1pC (~60keV), θ <30° 1.2MeV Peak=22.8pC FWHM=15.2% 1.81MeV Peak=30.3pC FWHM=12.2% 2.5MeV Peak=39.7pC FWHM=16.0% nTPC电荷响应 vs. 中子能量 5MeV Peak=80.95pC FWHM=29.6% 5MeV中子的反冲质子径迹较长（最长可达34cm），由此产生的端部效应较为严重，测量到的有效事例很少，此能谱没有对θ角进行筛选。

中子能量分辨率的研究 Table.3 中子能量分辨率分析 质子能量 质子能展导致中子能展 束流角度导致中子能展 束流角度导致重建角度展宽 高能中子能量分辨率与模拟结果存在较大偏差的可能原因：本底干扰严重或是弹道亏损未校正好。 Table.3 中子能量分辨率分析 质子能量 质子能展导致中子能展 束流角度导致中子能展 束流角度导致重建角度展宽 中子能量分辨率（FWHM） 实验结果 模拟结果 1.2MeV ~0.9% ~0.01% ~1.7% (for θ =30°) 15.2% 14.6% 1.81MeV ~0.6% 12.2% 8.3% 2.5MeV ~0.4% 16.0% 6.3% Cut选择：dep>1pC (~60keV), θ <30° 中子能量分辨率优化 (2.5MeV) 分辨率可达~11.1% Cut选择： dep>1pC (~60keV), θ <30° Cut选择： dep>1pC (~60keV), Ratio=0.45 能量分辨率 FWHM vs. 拟合长度比例 能量分辨率 FWHM vs. θ角Cut

后续研究工作 研究弹道亏损的校正方案，提高中子能量分辨率； 利用质子径迹前端的能量沉积特性校正5MeV中子实验数据，给出修正后的中子能谱； 等待401计量所给出靶点中子产额的绝对强度，由此给出nTPC对不同中子能量的探测效率。 能量沉积 vs. 重建θ角度 (2.5MeV) 能量沉积 vs. 重建θ角度 (5MeV) 弹道亏损的修正 修正端部效应事例

总结 nTPC在401计量与校准技术实验室进行了快中子束流的测试，测量了1.2MeV、1.81MeV、2.5MeV和5MeV的中子能谱。 经过初步分析，通过截断反冲质子的散射角（<30°），nTPC对1.2MeV、1.81MeV和2.5MeV中子的能量分辨率（FWHM）在10%~15%之间，后续通过对数据分析算法进行优化可以进一步提高能量分辨率。 5MeV中子反冲质子径迹较长，存在严重的端部效应，后续可以通过利用质子径迹前端的能量沉积特征来修正质子的真实能量信息，由此获得修正后的5MeV中子能谱。

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