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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).
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  • 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.

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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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