微小角中子散射譜儀的高分辨中子閃爍體探測(cè)器研究

劉慧銀 楊潔 黃暢 唐彬 周詩(shī)慧 蔡小杰 王修庫(kù)曾莉欣 岳秀萍 陳少佳 許虹 郭大威 陳旭 孫志嘉

1（鄭州大學(xué) 鄭州 450001）

2（中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 北京 100049）

3（散裂中子源科學(xué)中心 東莞 523803）

作為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的理想探針，中子散射技術(shù)已在凝聚態(tài)物理、化學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域被應(yīng)用［1］。作為發(fā)展中國(guó)家擁有的第一臺(tái)散裂中子源——中國(guó)散裂中子源（China Spallation Neutron Source，CSNS）可以為用戶在物理、化學(xué)、生物、生命科學(xué)、材料科學(xué)、新能源以及工業(yè)應(yīng)用等方面的高級(jí)研究提供一個(gè)中子散射平臺(tái)［2］。根據(jù)CSNS的建設(shè)計(jì)劃，2018～2023年將安裝工程材料衍射譜儀（Engineering Material Neutron Diffractometer，EMD）、高壓譜儀（High-Pressure Neutron Diffractometer，HPND）、能量分辨中子成像譜儀（Energy-Resolved Neutron Imaging Instrument，ERNI）、微小角中子散射譜儀（Very-Small Angle Neutron Scattering，VSANS）等7臺(tái)中子譜儀建設(shè)［3-4］。

VSANS譜儀是專門用于探測(cè)1～100 nm尺度內(nèi)物質(zhì)體系的微觀和介觀結(jié)構(gòu)的中子譜儀，其通過(guò)測(cè)量特定樣品的小角中子散射矢量Q，來(lái)獲得樣品的顆粒形狀、大小和密度等結(jié)構(gòu)信息［5］，圖1為VSANS譜儀的布局示意圖。質(zhì)子打靶產(chǎn)生的中子慢化后，通過(guò)中子開(kāi)關(guān)，然后經(jīng)過(guò)多層彎導(dǎo)管過(guò)濾掉快中子和γ射線，再經(jīng)過(guò)斬波器和直導(dǎo)管進(jìn)入準(zhǔn)直腔，從準(zhǔn)直腔出射的中子入射到樣品上，然后由探測(cè)器記錄相應(yīng)的衍射中子信息［6］。VSANS譜儀共有4個(gè)中子探測(cè)器系統(tǒng)：高角探測(cè)器、中角探測(cè)器、小角探測(cè)器和高分辨探測(cè)器［7］。其中，高角、中角和小角探測(cè)器均放置在內(nèi)徑2 m的真空散射腔內(nèi)，采用8 mm直徑、2026.5 kPa的3He管探測(cè)器陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)［8］。高分辨探測(cè)器位于真空散射腔體外，貼近后端窗口位置。為實(shí)現(xiàn)最小散射矢量Qmin達(dá)到0.002 nm-1，譜儀要求該探測(cè)器的位置分辨好于2 mm，且中子探測(cè)效率好于60%@0.4 nm。

圖1 VSANS譜儀布局示意圖Fig.1 Schematic of VSANS spectrometer's layout

陣列型3He管探測(cè)器以其高探測(cè)效率、高n/γ抑制比等優(yōu)點(diǎn)，是此前國(guó)際上大面積中子散射譜儀的首選探測(cè)方案，但它的缺點(diǎn)是位置分辨難以達(dá)到5 mm以下。同時(shí)，由于近年來(lái)3He氣體資源嚴(yán)重供應(yīng)不足的國(guó)際形勢(shì)，近10年3He氣體價(jià)格漲幅超過(guò)20倍［9］，以中子敏感閃爍體和光電讀出結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的閃爍體探測(cè)器，因其具有高探測(cè)效率、高位置分辨率、可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)分辨等優(yōu)點(diǎn)［10］，在諸多中子散射裝置中已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)2 mm的位置分辨，項(xiàng)目組研發(fā)了基于6LiF/ZnS（Ag）閃爍屏、波移光纖（Wavelength Shift Fiber，WLSF）陣列和硅光電倍增管（Silicon Photomultiplier，SiPM）讀出結(jié)構(gòu)的中子閃爍體探測(cè)器。本文詳細(xì)介紹了該探測(cè)器的整體物理設(shè)計(jì)、部分核心器件性能研究和探測(cè)器樣機(jī)性能測(cè)試結(jié)果。

1 探測(cè)器物理設(shè)計(jì)

圖2為研制的中子閃爍體探測(cè)器頭部和機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖。探測(cè)器的基本工作原理是：摻雜6Li的ZnS（Ag）閃爍屏，入射中子與6Li發(fā)生核反應(yīng)6Li（n，α）3H，產(chǎn)生的次級(jí)粒子能量沉積在ZnS粉末中產(chǎn)生峰位波長(zhǎng)為410 nm的閃爍光；閃爍光被WLSF吸收重發(fā)射為波長(zhǎng)較長(zhǎng)的綠光，滿足一定條件的綠光在WLSF中傳輸至后端SiPM產(chǎn)生光電信號(hào)。為提高探測(cè)器的中子探測(cè)效率，探測(cè)器頭部采用雙層夾心結(jié)構(gòu)：WLSF沿X、Y方向均勻排布，覆蓋整個(gè)探測(cè)器頭部，形成兩個(gè)方向垂直的光纖陣列平面，兩塊6LiF/ZnS（Ag）閃爍屏分別位于光纖陣列面的上下位置［11］。雙層閃爍屏結(jié)構(gòu)可以提高探測(cè)效率、解決因閃爍屏不透明在大于400 μm厚度后探測(cè)效率難以增加的問(wèn)題。WLSF陣列的垂直和水平排列，可以盡可能地收集有限范圍內(nèi)的閃爍光，并將其傳輸?shù)絊iPM各個(gè)工作單位上。讀出電子學(xué)把SiPM產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行處理后得到X、Y方向的擊中通道和中子飛行時(shí)間信息（Time of Flight，TOF），后端數(shù)據(jù)獲取進(jìn)行時(shí)間和位置雙重復(fù)合，從而得到入射中子的二維位置和時(shí)間信息［12］。

圖2 探測(cè)器頭部(a)和機(jī)械結(jié)構(gòu)(b)示意圖Fig.2 Schematics of the detector's head (a) and mechanical structure (b)

為了實(shí)現(xiàn)較高的位置分辨，WLSF的直徑和排布間距要盡可能?。坏^(guò)小的光纖直徑會(huì)導(dǎo)致單通道收集到的閃爍光較少，不能有效觸發(fā)后端讀出電子學(xué)系統(tǒng)。綜合考慮，探測(cè)器采用了直徑為0.5 mm的WLSF；為了實(shí)現(xiàn)高位置分辨，相鄰WLSF之間中心間距為0.6 mm，每?jī)筛鵚LSF構(gòu)成一組經(jīng)過(guò)90°彎折后與后端的SiPM單元耦合。設(shè)計(jì)的探測(cè)器有效面積為300 mm×300 mm，共有1000根波移光纖構(gòu)成光纖陣列。

2 核心器件性能研究

探測(cè)器主要由6LiF/ZnS（Ag）閃爍屏、WLSF陣列、SiPM及讀出電子學(xué)組成，每一部分具有優(yōu)異的性能，是實(shí)現(xiàn)高性能探測(cè)器的關(guān)鍵。項(xiàng)目組前期研究過(guò)6LiF/ZnS（Ag）閃爍屏的中子致光特性［13-15］，本課題重點(diǎn)研究了0.5 mm直徑WLSF的光衰減長(zhǎng)度、彎轉(zhuǎn)損耗和SiPM的溫漂、熱噪聲等特性。

2.1 WLSF光學(xué)特性

WLSF的主要作用是將閃爍體產(chǎn)生的藍(lán)光收集并轉(zhuǎn)換成綠光，實(shí)現(xiàn)部分光子在光纖內(nèi)的全反射傳輸。WLSF的光衰減長(zhǎng)度、光彎轉(zhuǎn)損耗等特性將直接影響后端SiPM能獲得的光子數(shù)，從而影響探測(cè)器的位置分辨和探測(cè)效率?；谡n題組前期的研究［13］，WLSF采用日本Kuraray公司的Y-11系列產(chǎn)品。

對(duì)0.5 mm直徑、不同波移劑含量的Y-11（200）和Y-11（300）光纖開(kāi)展光衰減長(zhǎng)度和彎轉(zhuǎn)損耗的詳細(xì)研究。WLSF的光衰減長(zhǎng)度可以通過(guò)式（1）測(cè)試得到［16］。

式中：I0為初始的光強(qiáng)度；λ為WLSF的衰減長(zhǎng)度；I為傳輸待測(cè)點(diǎn)位置的光強(qiáng)度；L為光在光纖中的傳輸距離。利用光學(xué)移動(dòng)測(cè)試平臺(tái)完成光衰減長(zhǎng)度的測(cè)試，光學(xué)移動(dòng)測(cè)試平臺(tái)如圖3所示。利用發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）藍(lán)光光源模擬閃爍屏出射的閃爍光，通過(guò)光學(xué)平臺(tái)將待測(cè)試光纖固定拉直，光纖端面打磨拋光后，與CCD光譜儀耦合。平臺(tái)沿導(dǎo)軌移動(dòng)，以5 cm為一個(gè)測(cè)試步長(zhǎng)，不斷調(diào)整LED與光譜儀的距離，在移動(dòng)光源過(guò)程中要保證光斑中心正對(duì)光纖中心。

圖3 光學(xué)移動(dòng)測(cè)試平臺(tái)Fig.3 Movable platform for the optical test

兩種光纖的出射光譜都是480～620 nm，峰值都在500 nm左右。對(duì)Y-11（300）和Y-11（200）型WLSF的出射光譜積分可得平均光強(qiáng)，以5 cm為間距，分別測(cè)試計(jì)算不同傳輸距離下的平均光強(qiáng)。由式（1）擬合計(jì)算可得光衰減長(zhǎng)度測(cè)試結(jié)果，如圖4所示。Y-11（300）光纖的光衰減長(zhǎng)度為（228.5±7.6） mm，Y-11（200）光纖的光衰減長(zhǎng)度為（260.5±5.6） mm。由測(cè)試結(jié)果可知：當(dāng)光纖長(zhǎng)度較短時(shí)，0.3‰波移劑摻雜的光纖吸收重發(fā)射的光子數(shù)會(huì)比較多；但當(dāng)光纖長(zhǎng)度變長(zhǎng)后，由于波移劑對(duì)綠光有一定的自吸收，光傳輸?shù)膿p耗就會(huì)變大。實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)WLSF的長(zhǎng)度約為1 m，因此，探測(cè)器樣機(jī)選用了波移劑摻雜較少的Y-11（200）型光纖。低于0.2‰波移劑摻雜量的光纖波長(zhǎng)轉(zhuǎn)移效率會(huì)過(guò)低，從而會(huì)導(dǎo)致傳輸?shù)胶蠖说墓庾訑?shù)不能有效觸發(fā)電子學(xué)。

圖4 光衰減長(zhǎng)度示意圖Fig.4 Plot of the optical attenuation length

在光纖陣列排布過(guò)程中，需要對(duì)光纖進(jìn)行半徑2 cm的機(jī)械彎折，彎折過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部微光學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而出現(xiàn)彎轉(zhuǎn)損耗。為了評(píng)估2 cm彎轉(zhuǎn)直徑下光纖的彎轉(zhuǎn)損耗對(duì)探測(cè)器光信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀趯?shí)驗(yàn)室內(nèi)利用不同彎轉(zhuǎn)直徑的導(dǎo)向槽纏繞光纖，并測(cè)試?yán)p繞前后光信號(hào)大小的變化，從而評(píng)估光纖的彎轉(zhuǎn)損耗。光纖的彎轉(zhuǎn)損耗測(cè)試原理如圖5所示，在水平光學(xué)平臺(tái)上固定兩個(gè)半徑為2 cm的半圓柱，將光纖緊貼圓柱拉直并固定在光學(xué)平臺(tái)上。同樣用藍(lán)光LED作為入射光源，先將A點(diǎn)一側(cè)光纖端口與CCD光譜儀耦合，測(cè)試光源照射在A點(diǎn)位置時(shí)得到的光譜，再移動(dòng)LED至B點(diǎn)，仍測(cè)試A點(diǎn)一側(cè)光纖端口的光譜，在扣除掉對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度光纖的光衰減影響后，兩者的差異主要就是由于兩個(gè)2 cm半徑圓柱的纏繞帶來(lái)的彎轉(zhuǎn)損耗。為提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，光譜儀更換到B點(diǎn)一側(cè)的光纖端口，再測(cè)試對(duì)應(yīng)條件下的光譜。

圖5 光纖彎折損耗測(cè)試原理圖Fig.5 Principle diagram of WLSF's mechanical bending loss test

Kuraray的Y-11（200）與Y-11（300）光纖機(jī)械彎折前后的光譜對(duì)比圖如圖6所示。

圖6 機(jī)械彎折前后的光譜對(duì)比圖（空氣中）Fig.6 Spectral comparison diagrams before and after mechanical bending (in air)

彎轉(zhuǎn)前后的光強(qiáng)之比通過(guò)式（2）計(jì)算得出。

式中：lA是A點(diǎn)與CCD的距離（lA=20 cm）；lB是B點(diǎn)與CCD的距離；lAB=15 cm；λ值為所測(cè)的光衰減長(zhǎng)度值；δ為光信號(hào)經(jīng)過(guò)一次彎轉(zhuǎn)的信號(hào)損失。

結(jié)合光譜圖和光強(qiáng)公式計(jì)算得出Y-11（300）和Y-11（200）機(jī)械彎轉(zhuǎn)損耗分別為0.032和0.018，Y11-（300）的彎折損耗約為Y-11（200）的1.78倍。綜合以上測(cè)試結(jié)果，Y-11（200）的WLSF具有較小的彎轉(zhuǎn)損耗和較大的光衰減長(zhǎng)度，更適合該探測(cè)器實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

2.2 SiPM性能

SiPM是由多個(gè)工作在蓋革模式下的雪崩光電二極管構(gòu)成的陣列型光電轉(zhuǎn)換器件。與傳統(tǒng)光電倍增管相比，SiPM具有單光子分辨能力強(qiáng)、體積小、集成度高、封裝工藝成熟、工作電壓低、增益一致性好等優(yōu)勢(shì)［17-18］，是當(dāng)前閃爍體探測(cè)器的極佳選擇。

從中子閃爍體探測(cè)器性能需求的角度考慮，SiPM需要滿足增益高、暗噪聲低、溫度漂移小、工作偏置低等要求。從探測(cè)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度考慮，兩根芯間距為0.6 mm的WLSF為一組，兩根WLSF的四端耦合在一個(gè)SiPM單元，SiPM單元的有效工作區(qū)域至少為2.4 mm×2.4 mm。因此選擇Hamamatsu的S13363-3050和Sensl的MicroFC-30035兩種SiPM作為備選，關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 SiPM關(guān)鍵性能參數(shù)Table 1 Key performance parameters of the SiPM

SiPM的增益、熱噪聲等特性直接影響整個(gè)探測(cè)器系統(tǒng)的信噪比，因此，針對(duì)Hamamatsu的S13363-3050和Sensl的MicroFC-30035兩種SiPM，主要對(duì)它們的增益和熱噪聲特性進(jìn)行了對(duì)比研究。

測(cè)量增益需要測(cè)得SiPM的單光子峰，由于SiPM具有良好的單光子分辨能力，所以可以使用脈沖觸發(fā)的LED作為光源，同時(shí)觸發(fā)的信號(hào)作為門電路對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行積分，最后通過(guò)電荷-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Charge to Digital Converter，QDC）獲取。SiPM增益測(cè)試原理如圖7所示，其中，前置運(yùn)算放大器由CSNS電子學(xué)課題組自主研發(fā)，刻度后的放大倍數(shù)為15倍；門產(chǎn)生器為GG800門產(chǎn)生器；QDC為Mesytec公司的MQDC-32，量程為500 pC，共4000道。圖8為QDC采集的電荷譜，可以看到多個(gè)光子峰。

圖7 SiPM增益測(cè)試原理圖Fig.7 Principle diagram of the SiPM's gain test

圖8 SiPM單光子電荷譜Fig.8 Charge spectrum of the SiPM

分析得到相鄰兩個(gè)單光子峰的道數(shù)差（?N）以及QDC的電荷轉(zhuǎn)換率（η），根據(jù)式（3）即可得出SiPM的增益：

在同一室溫條件下測(cè)試兩種SiPM工作電壓不同時(shí)的增益，可以看出，其增益隨電壓的增加具有良好線性關(guān)系。其中，Sensl的SiPM增益更大，過(guò)載電壓4.5 V時(shí)，增益可以達(dá)到7×106，增益測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 SiPM增益測(cè)試結(jié)果圖Fig.9 Plot of SiPM's gain test results

SiPM對(duì)溫度變化非常敏感。當(dāng)工作電壓保持不變時(shí)，溫度發(fā)生變化，SiPM的增益、熱噪聲等性能都會(huì)隨之發(fā)生變化，從而影響探測(cè)器的探測(cè)效率等關(guān)鍵指標(biāo)。把Hamamatsu的S13363-3050和Sensl的MicroFC-30035兩款SiPM同時(shí)放在恒溫環(huán)境中，利用示波器觀察測(cè)量不同溫度下SiPM熱噪聲變化情況。兩款SiPM熱噪聲測(cè)試結(jié)果如圖10（a）、（b）所示，從測(cè)試結(jié)果可以看出，SiPM的噪聲幅度和頻率都隨著溫度的升高而增大，但整體而言，Sensl器件的熱噪聲變化幅度比Hamamatsu更小，噪聲計(jì)數(shù)在高溫條件下也相對(duì)更少。在不同溫度條件下復(fù)測(cè)SiPM的增益，測(cè)得SiPM增益均隨溫度升高線性下降，溫度每升高1 ℃，Sensl SiPM增益減少約3.5×104，Hamamatsu SiPM增益減少約5.8×104。由此可得，Hamamatsu SiPM增益對(duì)溫度變化更加敏感。

圖10 SiPM熱噪聲測(cè)試結(jié)果圖 (a) Hamamatsu的SiPM輸出信號(hào)隨著溫度增加的變化，(b) Sensl的SiPM輸出信號(hào)隨著溫度增加的變化Fig.10 Plots of SiPM's thermal noise test results (a) The variation of Hamamatsu's SiPM output signal with increasing temperature, (b) The variation of Sensl's SiPM output signal with increasing temperature

綜合實(shí)驗(yàn)室各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果，最后選擇Sensl的MicroFC-30035作為探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換部分與WLSF耦合。

3 探測(cè)器樣機(jī)

通過(guò)對(duì)關(guān)鍵器件的選型和性能測(cè)試，確定了探測(cè)器各個(gè)組成部分選用的具體型號(hào)，如表2所示。

表2 關(guān)鍵器件型號(hào)Table 2 Parameters of key components

圖11為項(xiàng)目組試制的探測(cè)器樣機(jī)，雙層閃爍屏中間排布WLSF陣列，光纖后端耦合250個(gè)SiPM來(lái)實(shí)現(xiàn)中子致光信號(hào)的探測(cè)，32個(gè)工作單元為一組，共8個(gè)SiPM線列實(shí)現(xiàn)探測(cè)器信號(hào)的讀出。

圖11 探測(cè)器樣機(jī)照片F(xiàn)ig.11 Snapshot of the detector prototype

探測(cè)器的讀出電子學(xué)部分由項(xiàng)目組自主研制，如圖12所示。該電子學(xué)由前置放大板和數(shù)據(jù)采集板兩部分組成。前置放大板第一級(jí)為電壓前置放大器，SiPM輸出信號(hào)通過(guò)淬滅電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，通過(guò)多級(jí)放大、成形濾波后輸出給甄別器，甄別器和預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，從而排除熱噪聲、γ等干擾信號(hào)，將甄別出的有效信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號(hào)輸出給數(shù)據(jù)采集板。數(shù)據(jù)采集板實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)字化處理，然后通過(guò)千兆以太網(wǎng)把數(shù)據(jù)發(fā)送給后端數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。

圖12 自研讀出電子學(xué)模板照片F(xiàn)ig.12 Photo self-developed readout electronics boards

4 探測(cè)器性能測(cè)試

4.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件與方法

利用CSNS 20號(hào)束線提供的慢化準(zhǔn)直脈沖中子束，測(cè)試了探測(cè)器工程樣機(jī)的核心指標(biāo)參數(shù)。在經(jīng)過(guò)多次的準(zhǔn)直和吸收后，中子束出口光斑的直徑為20 mm，中子通量約為108n·cm-2·s-1，中子波長(zhǎng)范圍為0.02～1 nm，可由兩個(gè)斬波器組合選擇特定波長(zhǎng)段的中子。

首先開(kāi)展探測(cè)效率測(cè)試，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)3He管來(lái)評(píng)估入射的中子通量。寬能量的中子束線與Ge［220］單色器呈45°夾角，經(jīng)單色器單色后的中子再經(jīng)過(guò)狹縫準(zhǔn)直，入射到標(biāo)準(zhǔn)3He管的靈敏區(qū)域內(nèi)，可測(cè)量得到對(duì)應(yīng)的中子計(jì)數(shù)。使用時(shí)間多道分析器處理可以得到每個(gè)中子信號(hào)對(duì)應(yīng)的飛行時(shí)間（t（μs）），由式（4）可以計(jì)算得到每個(gè)中子信號(hào)對(duì)應(yīng)的中子波長(zhǎng)信息。

式中：L為中子飛行距離，mm。

然后取掉3He管，同樣的位置放置待測(cè)試的閃爍體探測(cè)器，同樣測(cè)試不同中子波長(zhǎng)λ（nm）對(duì)應(yīng)的中子計(jì)數(shù)，兩者的中子計(jì)數(shù)都通過(guò)放置在束線出口的束線監(jiān)視器的計(jì)數(shù)進(jìn)行歸一化。探測(cè)效率可通過(guò)式（5）計(jì)算得到。

式中：NSD和N3He分別為中子閃爍體探測(cè)器和標(biāo)準(zhǔn)3He管探測(cè)器的歸一化中子計(jì)數(shù)；η3He為標(biāo)準(zhǔn)3He管探測(cè)器的探測(cè)效率。圖13為探測(cè)效率測(cè)試原理圖。

圖13 探測(cè)效率測(cè)試原理圖Fig.13 Schematic diagram of the detection efficiency experiment

采用4 mm厚的含硼鋁板狹縫來(lái)驗(yàn)證探測(cè)器的二維位置分辨能力，測(cè)試時(shí)將含有“CSNS”字樣的含硼鋁板放置于探測(cè)器入射面之前。圖14為加工的含硼鋁板，其中“CSNS”字樣的最小寬度為2 mm。

圖14 “CSNS”字樣含硼鋁板照片F(xiàn)ig.14 Snapshot of boron-containing aluminum plate with"CSNS" slits

4.2 中子探測(cè)效率

3He管和待測(cè)閃爍體探測(cè)器的中子波長(zhǎng)λ（nm）分布譜對(duì)比圖如圖15所示。

圖15 中子波長(zhǎng)分布譜對(duì)比Fig.15 Comparison plot of the neutron wavelength spectra

可以明顯看到，中子波長(zhǎng)0.16 nm、0.28 nm、0.47 nm對(duì)應(yīng)的波峰，其中還包括無(wú)法被含硼鋁板屏蔽的高能中子和極小部分的空間雜散中子。由此代入式（5）可以計(jì)算得到閃爍體探測(cè)器在0.16 nm、0.28 nm和0.47 nm的探測(cè)效率分別為45.5%、56.3%和64.3%?？紤]到測(cè)試過(guò)程中的統(tǒng)計(jì)誤差（＜0.2%），探測(cè)效率測(cè)試結(jié)果的精度到千分位。圖16為不同波長(zhǎng)下閃爍體探測(cè)器的探測(cè)效率，由指數(shù)相關(guān)性擬合得到探測(cè)效率曲線。結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和模擬數(shù)據(jù)，通過(guò)插值法可以計(jì)算得到探測(cè)器對(duì)0.4 nm波長(zhǎng)的中子的相對(duì)探測(cè)效率可以達(dá)到（61.8±0.2）%，滿足譜儀的物理指標(biāo)需求。

圖16 探測(cè)效率測(cè)試結(jié)果Fig.16 Plot of the detection efficiency test results

4.3 二維位置分辨

圖17 為測(cè)試得到的“CSNS”字樣狹縫二維成像結(jié)果。由結(jié)果可以看出，狹縫圖像清晰可見(jiàn)，字體高度約30 mm，最小寬度為“N”字母的兩條豎線，寬為兩個(gè)像素2.4 mm，和實(shí)際的狹縫基本一致，證明系統(tǒng)具有良好的二維成像能力。以探測(cè)器像素1.2 mm×1.2 mm像素為最小單位，通過(guò)移動(dòng)“CSNS”字樣狹縫，可以在探測(cè)器上準(zhǔn)確測(cè)試到移動(dòng)后的二維圖像，證明了該探測(cè)器位置分辨和像素尺寸一致為1.2 mm×1.2 mm。

圖17 二維成像測(cè)試結(jié)果Fig.17 Plot of the two-dimensional imaging test result

5 結(jié)語(yǔ)

研制了有效面積為300 mm×300 mm的位敏型中子閃爍體探測(cè)器樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱中子高效率、高分辨的實(shí)時(shí)探測(cè)。該探測(cè)器設(shè)計(jì)基于6LiF/ZnS（Ag）閃爍體、WLSF和SiPM線列結(jié)構(gòu)，項(xiàng)目組通過(guò)對(duì)關(guān)鍵器件WLSF、SiPM的主要相關(guān)特性研究，制作出探測(cè)器樣機(jī)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，探測(cè)器樣機(jī)的中子探測(cè)效率為（61.8±0.2）%@0.4 nm，二維位置分辨率為1.2 mm×1.2 mm。研制的高分辨中子閃爍體探測(cè)器的整體性能指標(biāo)均達(dá)到了工程設(shè)計(jì)指標(biāo)，滿足了VSANS譜儀中子衍射性能測(cè)試需求，為CSNS工程VSANS譜儀順利建成提供了可靠的技術(shù)保障與支持。

作者貢獻(xiàn)聲明劉慧銀、周詩(shī)慧負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)探測(cè)器并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以及文章的撰寫和修改；楊潔、唐彬、陳少佳負(fù)責(zé)文章的審閱和修改；黃暢協(xié)助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組裝和指導(dǎo)；蔡小杰、曾莉欣、岳秀萍、許虹、郭大威、陳旭負(fù)責(zé)查閱整理相關(guān)文獻(xiàn)，推進(jìn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程；王修庫(kù)負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建和數(shù)據(jù)記錄；孫志嘉負(fù)責(zé)對(duì)文章的知識(shí)性內(nèi)容作批評(píng)性審閱。