μSR谱仪样机设计与搭建

论文摘要

μSR（muon spin rotation/relexation/resonanc）技术使用高自旋极化度的μ子束（表面μ子极化度约为100%）研究凝聚态物质的结构和动力学信息。加速器产生的极化μ子束被注入样品中损失动能而热化,之后其极化度（即自旋）在原子核、原子或原子之间的局域磁场中演化（进动）,最终衰变（半衰期2.2μs）产生正电子和中微子。根据弱相互作用下的宇称不守恒原理,μ子衰变产生的正电子出射方向呈各向异性即非对称分布。通过探测正电子的非对称分布,可以得到反映非对称性随时间变化的去极化函数,由该函数可以得到μ子所在位置局域磁场的非均匀性等信息,由此可以表征材料磁性或者与之相关的属性。由于极化μ子对局域磁场的高灵敏度（低至0.1 Gauss）,μSR技术被广泛用于磁性材料、超导、半导体和物质中的电荷输运等研究领域。中国散裂中子源（China Spallation Neutron Source,CSNS）将在其高能质子应用区建设国内首个μ子源（Experimental Muon Source,EMuS）。EMuS由中国科学院高能物理研究所和中国科学技术大学粒子束交叉应用实验室合作承建,其中本实验室负责为该μ子源设计搭建128路μSR谱仪样机。本文设计了该谱仪样机并搭建了单路μSR探测器,利用ISIS Muon Facility的束流进行了两次束流测试,确认了谱仪样机性能达到预期目标。针对EMuS束流强度高和重复频率低的特点,将双环型谱仪升级为四环型谱仪。升级后的谱仪样机可以完全利用EMuS Baby-scheme束流的流强,提高了探测效率,同时还获得了较高的本征非对称因子。本人在英国卢瑟福·阿普尔顿实验室的ISIS Muon Facility的研究工作中负责为ISIS待建的1216路Super-MuSR谱仪设计和搭建样机探测器。同时ISIS计划将其μ子束流时间宽度从当前的70ns（半高宽,FWHM）切至最窄10ns。升级后的谱仪系统将计数率提高15～20倍,而其频率分辨将从当前的～8 MHz提高至～100 MHz。本文为Super-MuSR谱仪设计和搭建了基于SiPM的探测器模块（包含三个探测器）。对该探测器模块进行了 2次束流测试,通过分析束流测试结果确认了 SiPM+PZC（极零相消电路,pole-zero cancellation circuit）可以作为Super-MuSR的探测器,以实现上千路探测器谱仪的小型化和应对样品室强磁场环境。本论文取得的主要研究成果如下:（1）研制了中国首台高本征非对称因子的μSR谱仪样机。系统研究了以样品为中心的空间中各位置的非对称因子,以及非对称因子受到探测器接收到的正电子初始动能分布的影响。据此优化探测器空间布局、束流管道结构和降能器结构,将双环型谱仪升级为四环型谱仪,进一步提升了谱仪样机的性能。该四环型谱仪既能完全利用EMuSBaby-scheme的μ子束流强度,提高了探测效率,又能获得较高的本征非对称因子（～0.42,一般μSR谱仪为0.2～0.25）。对双环型μsR探测器进行了束流测试,进一步验证了设计的谱仪样机达到预期目标。（2）为ISIS设计和搭建了首个基于SiPM的1216路Super-MuSR谱仪探测器模块。优化了闪烁体+光纤的探测器结构,确保了输出信号幅度不受正电子沉积能量位置的影响,从而使电子学能够正确甄别低能和高能正电子信号。闪烁体单面开槽埋入光纤的设计既能保证探测器输出的正电子信号能和噪声信号明显区分,又能降低加工复杂程度,提高了探测器系统的可靠性。针对SiPM信号宽（～180 ns）的特点优化了 PZC电路,经过2次束流测试验证了 SiPM+PZC 在 1 2 events/frame/detector（ISIS 基于 PMT 谱仪的计数率上限）的束流强度下完全适用,证明了 Super-MuSR使用SiPM的可行性,推进了该谱仪的搭建进程。（3）编写了首个使用蒙特卡洛方法结合实验数据定量研究μSR谱性能的程序“MuSS”（Musr Signal Simulation）。模拟研究表明束流脉冲时间宽度和探测器死时间（区分相邻信号的最短时间间隔）堆积效应均能导致μSR谱变形。束流脉冲过宽（以ISIS 70 ns为参考）时,谱仪本征非对称因子随横向场强度增强而明显下降,限制了脉冲型μSR技术的应用范围。由于探测器系统存在死时间,μSR谱在早期（以μ子束团进入样品为起始的1～2个半衰期时间内）会因死时间堆积而损失计数变形。电子学定时方法对死时间影响不大。使用PZC缩短信号宽度能明显降低死时间,缓解μSR谱变形程度,提高探测器的计数率。由PZC引起的信号下冲在10%以内基本不引入额外的死时间,30%的下冲也只引入1～2 ns死时间,因此下冲的影响基本可以忽略。此项研究工作为基于PMT或者SiPM探测器的信号优化指明了方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 μ子的基本性质
•     1.1.1 μ子发现史
•     1.1.2 μ子的基本物理属性
•   1.2 μ子源简介
•     1.2.1 μ子源类型
•     1.2.2 国际μ子源介绍
•   1.3 μSR技术原理与应用
•     1.3.1 μ子的衰变和探测
•     1.3.2 μSR技术原理
•     1.3.3 μSR技术的主要应用
•   1.4 国际μSR谱仪研制进展
•     1.4.1 两种类型μSR谱仪的区别
•     1.4.2 脉冲型μSR谱仪的发展
• 第2章 128路μSR谱仪样机的双环和四环模拟设计
•   2.1 μSR谱仪性能表征参数
•     2.1.1 整体性能表征参数
•     2.1.2 单个探测器性能表征参数
•   2.2 双环型样机设计与优化
•     2.2.1 覆盖立体角优化
•     2.2.2 能量沉积和能量阈值
•     2.2.3 降能器优化
•     2.2.4 闪烁体尺寸优化
•     2.2.5 PMT摆放位置的优化
•     2.2.6 光导形状优化
•     2.2.7 双环型谱仪样机设计方案小结
•   2.3 四环型样机设计与优化
•     2.3.1 musrSim计算验证
•     2.3.2 musrSim计算模型描述
•     2.3.3 双环型μSR谱仪在Baby-scheme束流参数下的优化
•     2.3.4 四环型μSR谱仪在Baby-scheme束流参数下的优化
•     2.3.5 四环型谱仪样机设计方案小结
• 第3章 单路μSR探测器样机测试与数据分析
•   3.1 单路μSR探测器样机实验室测试
•     3.1.1 噪声与信号测试
•     3.1.2 磁屏蔽测试
•   3.2 单路μSR探测器样机束流测试
•     3.2.1 脉冲幅度谱测试与甄别阈选择
•     3.2.2 探测器系统死时间分析
•     3.2.3 探测器系统在横场条件下的非对称因子
•   3.3 新探测器研制
•     3.3.1 探测器封装方式优化
•     3.3.2 新研制探测器与双环型样机探测器性能对比
•   3.4 本章小结
• 第4章 基于SiPM的Super-MuSR谱仪样机探测器搭建与测试
•   4.1 实验室测试
•     4.1.1 粒子入射位置对输出信号的影响
•     4.1.2 单槽与双槽对输出信号的影响
•   4.2 束流测试
•     4.2.1 样机探测器搭建
•     4.2.2 束流测试结果分析
•   4.3 本章小结
• 第5章 μSR谱变形影响因素研究
•   5.1 蒙特卡洛模拟计算模型描述
•   5.2 模拟结果分析
•     5.2.1 μ子脉冲时间宽度FWHM对μSR谱的影响
•     5.2.2 探测器死时间对μSR谱的影响
•   5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 论文总结
•     6.1.1 128路μSR谱仪样机设计
•     6.1.2 单路μSR样机探测器测试与数据分析
•     6.1.3 基于SiPM的Super-MuSR单个探测器搭建与测试
•     6.1.4 μSR谱变形影响因素研究
•   6.2 论文创新点
•   6.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得其他研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 潘子文

导师: 叶邦角,Nigel J.Rhodes

关键词: 子源,路谱仪样机,蒙特卡洛模拟,双环型谱仪,单路探测器,四环型谱仪,束线,非对称因子,谱变形,脉冲时间宽度,死时间堆积

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O469

DOI: 10.27517/d.cnki.gzkju.2019.000256

总页数: 134

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