一维位置灵敏热中子He正比计数管的研究

摘要

随着中国散裂中子源的立项，作为中子探测的实验装置――中子散射谱仪的研究也非常必要。反散射谱仪是一种用于散裂中子源上的中子散射谱仪，它是由很多根一维3He位置灵敏热中子正比计数管（以下简称LPSD）组成的阵列。LPSD主要用来获取散射中子的位置。所以位置灵敏就成为衡量该管最重要的指标之一。Reuter-stokes的LPSD (由美国GE公司制作)的位置分辨率在合适的电子学读出条件下可达到2～5mm。 本论文主要从电阻电荷分配法、管子的设计、位置灵敏实验及其结果分析等方面对LPSD进行研究。虽然电阻电荷分配法是一个众所周知的实验方法，但叙述其原理的文献却很难找到，本论文对这个方法进行了证明。 本文所讲述的LPSD的设计主要包括尺寸规格及管壁材料、阳极丝、内充气体等方面。管子的尺寸规格及管壁材料参考的是位于美国橡树岭国家实验室的散裂中子源（SNS）上使用的LPSD。对于管子的外壳材料，有不锈钢和铝这两种选择。论文通过对两种管壁材料对中子的吸收等方面的比较，决定采用不锈钢作为管壁材料。LPSD的阳极丝采用的是镍铬合金丝。对于内充气体，3He气压的大小是通过理论计算再加上实验比较，并参考了相关文献后得出的。从最后所测得的实验结果来看，所设计的8atm的3He气压比GE的LPSD内充的3He要低一些。 通过实验增进了对前放的静态输入阻抗与动态输入阻抗的认识。静态输入阻抗是前放在静态时的阻抗，动态输入阻抗是前放在有信号输入时电路对信号的阻抗。在成功地做出位置灵敏效应之前，曾经有两三个月毫无进展，在此期间采用的是电流前放而没有尝试用电荷前放。当时认为电荷前放的静态输入阻抗是兆欧量级，根本不考虑采用；而只有电流前放凭借其较小的静态输入阻抗才有可能做出位置灵敏效应的结果。事实上，静态输入阻抗和动态输入阻抗在数值上有着很大的差距。试验中做出位置效应的电荷前放，其静态输入阻抗是兆欧量级，但是由实验结果反推得到的动态输入阻抗只有782欧姆。当然，并非只是电荷前放才能做出位置效应，电流前放也一定能做出来。电流前放没有做出结果的原因是噪声抑制没有做好。如果能把噪声抑制做好，电流前放也一定可以做出位置效应。 虽然有关LPSD的位置灵敏效应实验测试结果还显得有些粗糙，如由实验结果所计算的国产的LPSD位置分辨率在3.73~5.07cm之间，与法国Grenoble 的Institut Laue-Langevin所得到的5.7mm~7mm的位置分辨率相比还有一定的差距（采用的是美国GE的LPSD）；国产的LPSD能量分辨率最好是12％，大部分位置的能量分辨率大于20％，而美国的LPSD能量分辨率在7.7％左右；坪斜以及坪区内的计数与美国的LPSD相比还是有一定的差距。但是，毕竟从实验上得出了位置灵敏效应的结果。目前，在国内还没有见到成功做出位置效应的相关报道。 此外，随着对LPSD自身特性认识的深入以及电子学读出的改善，将来改进后的国产LPSD的位置分辨率等性能指标应该会有很大的提高。