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不同厚度ST401中子能谱响应测量与分析

李阳 张艳红 盛亮 张美 姚志明 段宝军 赵吉祯 郭泉 严维鹏 李国光 胡佳琦 李豪卿 李郎郎

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不同厚度ST401中子能谱响应测量与分析

李阳, 张艳红, 盛亮, 张美, 姚志明, 段宝军, 赵吉祯, 郭泉, 严维鹏, 李国光, 胡佳琦, 李豪卿, 李郎郎
cstr: 32037.14.aps.73.20241198

Measurement and analysis of neutron spectrum responses of ST401 scintillators with different thickness

Li Yang, Zhang Yan-Hong, Sheng Liang, Zhang Mei, Yao Zhi-Ming, Duan Bao-Jun, Zhao Ji-Zhen, Guo Quan, Yan Wei-Peng, Li Guo-Guang, Hu Jia-Qi, Li Hao-Qing, Li Lang-Lang
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  • 在MeV能段脉冲中子测量中, 塑料闪烁体是应用最为广泛的一种材料, 其中子能谱响应是脉冲中子能谱测量所需的关键数据. 基于中国散裂中子源白光中子束线, 使用飞行时间法测量了0.5—10 mm共5种不同厚度塑料闪烁体ST401对0.5—100 MeV能段的中子能谱响应曲线, 分析了束内伽马、伽马闪产生的闪烁体慢成分和中子源脉宽对中子能谱响应的影响. 受有限体积闪烁体边界效应影响, 不同厚度中子能谱响应曲线形状接近对数曲线, 质子逃逸是闪烁体能谱响应曲线偏离线性的主要原因, 闪烁体越厚, 偏离线性的中子能量越高.
    In the measurement of pulsed neutrons in the MeV energy range, plastic scintillators are one of the most widely used materials, and their neutron energy spectrum responses are key data of pulsed neutron energy spectrum measurement. The neutron energy spectrum responses of ST401 plastic scintillators with 5 different thickness values ranging from 0.5 to 10 mm in an energy range from 0.5 MeV to 100 MeV are measured by using the time-of-flight (TOF) method on the white neutron source (WNS) beamline of the China Spallation Neutron Source (CSNS). The effects of in-beam gamma rays, the gamma flash produced slow component of scintillator, and the pulse width of the neutron source on the measurement of neutron spectrum response are analyzed. Owing to the boundary effect of the finite volume of the scintillator, the neutron energy spectrum response curves of ST401 with different thickness values present approximately logarithmic shape, and proton escape is the main reason for the deviation of the curve from linearity. The thicker the scintillator, the higher the neutron energy deviates from linearity.
      通信作者: 盛亮, shengliang@nint.ac.cn
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 12175183)和国防科技卓越青年科学基金(批准号: JQZQ021901)资助的课题.
      Corresponding author: Sheng Liang, shengliang@nint.ac.cn
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 12175183 ) and the Distinguished Youth Science Fund of National Defense Science and Technology of China (Grant No. JQZQ021901).
    [1]

    刘兆庆 1994 脉冲辐射场诊断技术 (北京: 科学出版社)第12页

    Liu Z Q, 1994 Pulse Radiation Field Diagnostic Technology (Beijing: Science Press) p12

    [2]

    易义成, 宋朝晖, 管兴胤, 韩和同, 卢毅, 郝帅 2023 现代应用物理 14 10202Google Scholar

    Yi Y C, Song Z H, Guan X Y, Han H T, Lu Y, Hao S 2023 Mod. Appl. Phys. 14 10202Google Scholar

    [3]

    杨洪琼, 彭太平, 杨建伦, 唐正元, 杨高照, 李林波, 胡孟春, 王振通, 张建华, 李忠宝, 王立宗 2004 核电子学与探测技术 24 640

    Yang H Q, Peng T P, Yang J L, Tang Z Y, Yang G Z, Li L B, Hu M C, Wang Z T, Zhang J H, Li Z B, Wang L Z 2004, Nucl. Electron. & Detect. Technol. 24 640

    [4]

    姚志明, 段宝军, 宋顾周, 严维鹏, 马继明, 韩长材, 宋岩 2017 物理学报 66 062401Google Scholar

    Yao Z M, Duan B J, Song G Z, Yan W P, Ma J M, Han C C, Song Y 2017 Acta Phys. Sin. 66 062401Google Scholar

    [5]

    Verbinski V V, Burrus W R, Love T A, Zobel W, Hill N W, Textor R 1968 Nucl. Instrum. Methods 65 8Google Scholar

    [6]

    张国光, 欧阳晓平, 张建福, 王志强, 张忠兵, 马彦良, 张显鹏, 陈军, 张小东, 潘洪波, 骆海龙, 刘毅娜 2006 物理学报 55 2165Google Scholar

    Zhang G G, Ouyang X P, Zhang J F, Wang Z Q, Zhang Z B, Ma Y L, Zhang X P, Chen J, Zhang X D, Pan H B, Luo H L, Liu Y N 2006 Acta Phys. Sin. 55 2165Google Scholar

    [7]

    Madey R, Waterman F M, Baldwin A R, Knudson J N, Carlson J D, Rapaport J 1978 Nucl. Instrum. Methods 151 445Google Scholar

    [8]

    张传飞, 彭太平, 罗小兵, 李如荣, 张建华, 夏宜君, 杨志华, 林理彬 2002 四川大学学报(自然科学版) 39 487

    Zhang C F, Peng T P, Luo X B, Li R R, Zhang J H, Xia Y J, Yang Z H, Lin L B 2002 J. Sichuan Univ. (Nat. Sci. Ed. ) 39 487

    [9]

    彭太平, 罗小兵, 张传飞, 李如荣, 张建华, 夏宜君, 杨志华 2002 原子核物理评论 19 357Google Scholar

    Peng T P, Luo X B, Zhang C F, Li R R, Zhang J H, Xia Y J, Yang Z H 2002 Nucl. Phys. Rev. 19 357Google Scholar

    [10]

    罗小兵, 张传飞, 彭太平, 李如荣, 张建华, 夏宜军, 杨志华 2004 核电子学与探测技术 24 186

    Luo X B, Zhang C F, Peng T P, Li R R, Zhang J H, Xia Y J, Yang Z H 2004 Nucl. Electron. & Detect. Technol. 24 186

    [11]

    宋顾周, 谢红卫, 王奎禄, 朱宏权 2008 核电子学与探测技术 28 845Google Scholar

    Song G Z, Xie H W, Wang K L, Zhu H Q 2008 Nucl. Electron. Detect. Technol. 28 845Google Scholar

    [12]

    杨建伦, 彭先觉, 杨洪琼, 杨高照, 王立宗, 钟耀华 2004 核电子学与探测技术 24 346Google Scholar

    Yang J L, Peng X J, Yang H Q, Yang G Z, Wang L Z, Zhong Y H 2004 Nucl. Electron. Detect. Technol. 24 346Google Scholar

    [13]

    Edelstein R M, Russ J S, Thatcher R C, Elfield M, Miller E L, Reay N W, Stanton N R, Abolins M A, Lin M T, Edwards K W, Gill D R 1972 Nucl. Instrum. Methods 100 355Google Scholar

    [14]

    Betti G, Guerra A D, Giazotto A, Giorgi M A, Stefanini A, Botterill D R, Braben D W, Clarke D, Norton P R 1976 Nucl. Instrum. Methods 135 129

    [15]

    Cecil R A, Anderson B D, Madey R 1979 Nucl. Instrum. Methods 161 439Google Scholar

    [16]

    Wei J, Chen H S, Chen Y W, et al. 2009 Nucl. Instrum. Meth. A 600 10Google Scholar

    [17]

    Chen Y H, Luan G Y, Bao J, et al. 2019 Eur. Phys. J. A 55 145Google Scholar

    [18]

    任杰, 阮锡超, 陈永浩 等 2020 物理学报 69 172901Google Scholar

    Ren J, Ruan X C, Chen Y H, et al. 2020 Acta Phys. Sin. 69 172901Google Scholar

    [19]

    袁秀丽, 姚岁劳, 王丹妮, 阎珍德, 唐兆荣, 蒋李君, 高兴兵, 殷生华, 贾景光, 张志雄, 林德雨2024 GB/T13181-2024(北京: 中国标准出版社)

    Yuan X L, Yao S L, Wang D N, Yan Z D, Tang Z R, Jiang L J, Gao X B, Yin S H, Jia J G, Zhang Z X, Lin D Y 2024 GB/T13181-2024 (Beijing: China Standard Press

    [20]

    汲长松 1990 核辐射探测器及其实验技术手册 (北京: 原子能出版社)

    Ji C S 1990 Handbook of Nuclear Radiation Detectors & Their Experiment Techniques (Beijing: Atomic Energy Press

    [21]

    http://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/tab2.html/ [2024-8-30]

    [22]

    Gohil M, Banerjee K, Bhattacharya S, Bhattacharya C, Kundu S, Rana T K , Mukherjee G, Meena J K, Pandey R, Pai H, Ghosh T K, Dey A, Mukhopadhyay S, Pandit D, Pal S, Banerjee S R, Bandhopadhyay T 2012 Nucl. Instrum. Meth. A 664 304

    [23]

    杨洋, 党同强, 王志刚, 王明煌, 杨战国, 常博, 宋勇, 周涛 2024 现代应用物理 15 10201Google Scholar

    Yang Y, Dang T Q, Wang Z G, Wang M H, Yang Z G, Chang B, Song Y, Zhou T 2024 Mod. Appl. Phys. 15 10201Google Scholar

    [24]

    秋妍妍, 谭志新, 易晗, 贺永宁, 赵小龙, 樊瑞睿 2023 现代应用物理 14 30203

    Qiu Y Y, Tan Z X, Yi H, He Y N, Zhao X L, Fan R R 2023 Mod. Appl. Phys. 14 30203

  • 图 1  闪烁体中子能谱响应测量布局示意图

    Fig. 1.  Sketch of measuring the neutron spectrum response of a scintillator on WNS of CSNS.

    图 2  闪烁体能谱响应测量波形

    Fig. 2.  Typical waveforms measured in our experiments.

    图 3  束内伽马对塑料闪烁体中子能谱响应测量的影响

    Fig. 3.  Influence of in-beam gamma on plastic scintillators’ neutron spectrum response measurements.

    图 4  ST401闪烁体慢成分测量结果

    Fig. 4.  Measured slow component of a ST401 scintillator.

    图 5  伽马峰后不同时刻到达闪烁体处中子能谱 (a)伽马峰后1268.7 ns; (b) 伽马峰后1890.4 ns; (c) 伽马峰后3326.2 ns; (d) 伽马峰后5404.3 ns

    Fig. 5.  The neutron spectrum at the scintillator at different time intervals after the γ flash peak: (a) 1268.7 ns; (b) 1890.4 ns; (c) 3326.2 ns; (d) 5404.3 ns.

    图 6  白光中子源能谱 (0.5—200 MeV)

    Fig. 6.  The neutron spectrum of WNS (0.5–200 MeV).

    图 7  不同厚度塑料ST401中子能谱响应 (a) 线性坐标; (b) 对数坐标

    Fig. 7.  The neutron spectrum responses of ST401 scintillators with different thicknesses: (a) Linear coordinates; (b) logarithmic coordinates.

    图 8  中子能量0.01—100 MeV的n-p和n-C作用截面曲线

    Fig. 8.  n-p and n-C cross sections from 0.01 to 100 MeV.

    图 9  塑料闪烁体对不同种类粒子的光响应函数

    Fig. 9.  Light response function of plastic scintillators to different particles.

    图 10  0.01—100 MeV质子(中子)在塑料闪烁体中的平均射程(迁移长度) (a) 对数坐标; (b) (a)图中蓝色虚线方框内曲线在线性坐标下的放大展示

    Fig. 10.  The average range (migration length) of 0.01–100 MeV protons (neutrons) in plastic scintillators: (a) Range and migration length in logarithmic coordinates; (b) enlargement of the curves in the blue square in (a).

    图 11  10, 5, 2和1 mm与0.5 mm塑料闪烁体中子灵敏度的比值

    Fig. 11.  The ratios of 10, 5, 2 and 1 mm-thick plastic scintillators’ neutron sensitivities to 0.5 mm.

  • [1]

    刘兆庆 1994 脉冲辐射场诊断技术 (北京: 科学出版社)第12页

    Liu Z Q, 1994 Pulse Radiation Field Diagnostic Technology (Beijing: Science Press) p12

    [2]

    易义成, 宋朝晖, 管兴胤, 韩和同, 卢毅, 郝帅 2023 现代应用物理 14 10202Google Scholar

    Yi Y C, Song Z H, Guan X Y, Han H T, Lu Y, Hao S 2023 Mod. Appl. Phys. 14 10202Google Scholar

    [3]

    杨洪琼, 彭太平, 杨建伦, 唐正元, 杨高照, 李林波, 胡孟春, 王振通, 张建华, 李忠宝, 王立宗 2004 核电子学与探测技术 24 640

    Yang H Q, Peng T P, Yang J L, Tang Z Y, Yang G Z, Li L B, Hu M C, Wang Z T, Zhang J H, Li Z B, Wang L Z 2004, Nucl. Electron. & Detect. Technol. 24 640

    [4]

    姚志明, 段宝军, 宋顾周, 严维鹏, 马继明, 韩长材, 宋岩 2017 物理学报 66 062401Google Scholar

    Yao Z M, Duan B J, Song G Z, Yan W P, Ma J M, Han C C, Song Y 2017 Acta Phys. Sin. 66 062401Google Scholar

    [5]

    Verbinski V V, Burrus W R, Love T A, Zobel W, Hill N W, Textor R 1968 Nucl. Instrum. Methods 65 8Google Scholar

    [6]

    张国光, 欧阳晓平, 张建福, 王志强, 张忠兵, 马彦良, 张显鹏, 陈军, 张小东, 潘洪波, 骆海龙, 刘毅娜 2006 物理学报 55 2165Google Scholar

    Zhang G G, Ouyang X P, Zhang J F, Wang Z Q, Zhang Z B, Ma Y L, Zhang X P, Chen J, Zhang X D, Pan H B, Luo H L, Liu Y N 2006 Acta Phys. Sin. 55 2165Google Scholar

    [7]

    Madey R, Waterman F M, Baldwin A R, Knudson J N, Carlson J D, Rapaport J 1978 Nucl. Instrum. Methods 151 445Google Scholar

    [8]

    张传飞, 彭太平, 罗小兵, 李如荣, 张建华, 夏宜君, 杨志华, 林理彬 2002 四川大学学报(自然科学版) 39 487

    Zhang C F, Peng T P, Luo X B, Li R R, Zhang J H, Xia Y J, Yang Z H, Lin L B 2002 J. Sichuan Univ. (Nat. Sci. Ed. ) 39 487

    [9]

    彭太平, 罗小兵, 张传飞, 李如荣, 张建华, 夏宜君, 杨志华 2002 原子核物理评论 19 357Google Scholar

    Peng T P, Luo X B, Zhang C F, Li R R, Zhang J H, Xia Y J, Yang Z H 2002 Nucl. Phys. Rev. 19 357Google Scholar

    [10]

    罗小兵, 张传飞, 彭太平, 李如荣, 张建华, 夏宜军, 杨志华 2004 核电子学与探测技术 24 186

    Luo X B, Zhang C F, Peng T P, Li R R, Zhang J H, Xia Y J, Yang Z H 2004 Nucl. Electron. & Detect. Technol. 24 186

    [11]

    宋顾周, 谢红卫, 王奎禄, 朱宏权 2008 核电子学与探测技术 28 845Google Scholar

    Song G Z, Xie H W, Wang K L, Zhu H Q 2008 Nucl. Electron. Detect. Technol. 28 845Google Scholar

    [12]

    杨建伦, 彭先觉, 杨洪琼, 杨高照, 王立宗, 钟耀华 2004 核电子学与探测技术 24 346Google Scholar

    Yang J L, Peng X J, Yang H Q, Yang G Z, Wang L Z, Zhong Y H 2004 Nucl. Electron. Detect. Technol. 24 346Google Scholar

    [13]

    Edelstein R M, Russ J S, Thatcher R C, Elfield M, Miller E L, Reay N W, Stanton N R, Abolins M A, Lin M T, Edwards K W, Gill D R 1972 Nucl. Instrum. Methods 100 355Google Scholar

    [14]

    Betti G, Guerra A D, Giazotto A, Giorgi M A, Stefanini A, Botterill D R, Braben D W, Clarke D, Norton P R 1976 Nucl. Instrum. Methods 135 129

    [15]

    Cecil R A, Anderson B D, Madey R 1979 Nucl. Instrum. Methods 161 439Google Scholar

    [16]

    Wei J, Chen H S, Chen Y W, et al. 2009 Nucl. Instrum. Meth. A 600 10Google Scholar

    [17]

    Chen Y H, Luan G Y, Bao J, et al. 2019 Eur. Phys. J. A 55 145Google Scholar

    [18]

    任杰, 阮锡超, 陈永浩 等 2020 物理学报 69 172901Google Scholar

    Ren J, Ruan X C, Chen Y H, et al. 2020 Acta Phys. Sin. 69 172901Google Scholar

    [19]

    袁秀丽, 姚岁劳, 王丹妮, 阎珍德, 唐兆荣, 蒋李君, 高兴兵, 殷生华, 贾景光, 张志雄, 林德雨2024 GB/T13181-2024(北京: 中国标准出版社)

    Yuan X L, Yao S L, Wang D N, Yan Z D, Tang Z R, Jiang L J, Gao X B, Yin S H, Jia J G, Zhang Z X, Lin D Y 2024 GB/T13181-2024 (Beijing: China Standard Press

    [20]

    汲长松 1990 核辐射探测器及其实验技术手册 (北京: 原子能出版社)

    Ji C S 1990 Handbook of Nuclear Radiation Detectors & Their Experiment Techniques (Beijing: Atomic Energy Press

    [21]

    http://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/tab2.html/ [2024-8-30]

    [22]

    Gohil M, Banerjee K, Bhattacharya S, Bhattacharya C, Kundu S, Rana T K , Mukherjee G, Meena J K, Pandey R, Pai H, Ghosh T K, Dey A, Mukhopadhyay S, Pandit D, Pal S, Banerjee S R, Bandhopadhyay T 2012 Nucl. Instrum. Meth. A 664 304

    [23]

    杨洋, 党同强, 王志刚, 王明煌, 杨战国, 常博, 宋勇, 周涛 2024 现代应用物理 15 10201Google Scholar

    Yang Y, Dang T Q, Wang Z G, Wang M H, Yang Z G, Chang B, Song Y, Zhou T 2024 Mod. Appl. Phys. 15 10201Google Scholar

    [24]

    秋妍妍, 谭志新, 易晗, 贺永宁, 赵小龙, 樊瑞睿 2023 现代应用物理 14 30203

    Qiu Y Y, Tan Z X, Yi H, He Y N, Zhao X L, Fan R R 2023 Mod. Appl. Phys. 14 30203

  • [1] 陈娟, 胡巍, 陆大全. 三阶非线性效应对边界限制的自聚焦振荡型响应函数系统中二次孤子的影响. 物理学报, 2022, 71(21): 214205. doi: 10.7498/aps.71.20220865
    [2] 黄广伟, 吴坤, 陈晔, 李林祥, 张思远, 王尊刚, 朱红英, 周春芝, 张逸韵, 刘志强, 伊晓燕, 李晋闽. 单晶金刚石探测器对14 MeV单能中子的响应. 物理学报, 2021, 70(20): 202901. doi: 10.7498/aps.70.20210891
    [3] 魏坤, 黑东炜, 刘军, 徐青, 翁秀峰, 谭新建. 基于载流子猝灭模型的闪烁体发光非线性效应理论分析及实验验证. 物理学报, 2021, 70(24): 242901. doi: 10.7498/aps.70.20210820
    [4] 周少彤, 任晓东, 黄显宾, 徐强. 一种用于Z箍缩实验的软X射线成像系统. 物理学报, 2021, 70(4): 045203. doi: 10.7498/aps.70.20200957
    [5] 李海鹏, 周佳升, 吉炜, 杨自强, 丁慧敏, 张子韬, 沈晓鹏, 韩奎. 边界对石墨烯量子点非线性光学性质的影响. 物理学报, 2021, 70(5): 057801. doi: 10.7498/aps.70.20201643
    [6] 王宏宇, 李军, 金迪, 代辉, 甘甜, 吴云. 激波/边界层干扰对等离子体合成射流的响应特性. 物理学报, 2017, 66(8): 084705. doi: 10.7498/aps.66.084705
    [7] 姚志明, 段宝军, 宋顾周, 严维鹏, 马继明, 韩长材, 宋岩. ST401塑料闪烁体的脉冲中子相对光产额评估方法. 物理学报, 2017, 66(6): 062401. doi: 10.7498/aps.66.062401
    [8] 袁都奇. 囚禁有限unitary费米气体的热力学性质. 物理学报, 2016, 65(18): 180302. doi: 10.7498/aps.65.180302
    [9] 袁都奇. 三维简谐势阱中玻色-爱因斯坦凝聚的边界效应. 物理学报, 2014, 63(17): 170501. doi: 10.7498/aps.63.170501
    [10] 祁建敏, 周林, 蒋世伦, 张建华. 聚变中子能谱测量系统脉冲中子灵敏度的实验研究. 物理学报, 2013, 62(24): 245203. doi: 10.7498/aps.62.245203
    [11] 张小东, 邱孟通, 张建福, 欧阳晓平, 张显鹏, 陈亮. 一种基于4He气闪烁体的裂变中子探测器. 物理学报, 2012, 61(23): 232502. doi: 10.7498/aps.61.232502
    [12] 徐妙华, 李红伟, 刘峰, 刘必成, 杜飞, 张璐, 苏鲁宁, 李英骏, 李玉同, 陈佳洱, 张杰. 实时离子探测器塑料闪烁体性能的实验研究. 物理学报, 2012, 61(10): 105202. doi: 10.7498/aps.61.105202
    [13] 章法强, 杨建伦, 李正宏, 叶凡, 徐荣昆. 厚闪烁体内次级中子对快中子图像质量的影响研究. 物理学报, 2009, 58(2): 1316-1320. doi: 10.7498/aps.58.1316
    [14] 苏 东, 唐昌建, 刘濮鲲. 束-离子通道电磁模式的边界效应分析. 物理学报, 2007, 56(5): 2802-2807. doi: 10.7498/aps.56.2802
    [15] 唐黎明, 王 艳, 王 丹, 王玲玲. 边界条件对介电量子波导中声子输运性质的影响. 物理学报, 2007, 56(1): 437-442. doi: 10.7498/aps.56.437
    [16] 张国光, 欧阳晓平, 张建福, 王志强, 张忠兵, 马彦良, 张显鹏, 陈 军, 张小东, 潘洪波, 骆海龙, 刘毅娜. ST-401薄塑料闪烁体中子能量响应测量技术研究. 物理学报, 2006, 55(5): 2165-2169. doi: 10.7498/aps.55.2165
    [17] 郝樊华, 胡广春, 刘素萍, 龚 建, 向永春, 黄瑞良, 师学明, 伍 钧. 钚体源样品γ能谱计算的蒙特卡罗方法. 物理学报, 2005, 54(8): 3523-3529. doi: 10.7498/aps.54.3523
    [18] 郭存, 徐荣昆, 李正宏, 夏广新, 宁家敏, 宋凤军. 一种新型快塑料闪烁体的性能研究. 物理学报, 2004, 53(5): 1331-1334. doi: 10.7498/aps.53.1331
    [19] 徐荣昆, 郭 存, 温树槐, 夏广新, 宁佳敏, 宋凤军, 何锡钧, 吴永刚, 顾 牡, 陈玲燕, 吴 翔. 改进BaF2闪烁体光输出特征研究. 物理学报, 2003, 52(9): 2140-2144. doi: 10.7498/aps.52.2140
    [20] 李景德. 晶格振动声学支的边界耦合效应. 物理学报, 1987, 36(8): 1010-1018. doi: 10.7498/aps.36.1010
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-08-28
  • 修回日期:  2024-10-11
  • 上网日期:  2024-10-29
  • 刊出日期:  2024-12-05

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