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目前国内外的质子标定终端较少, 且普遍为单能质子束流. 基于中国散裂中子源的反角白光中子源的eV—200 MeV中子能量区间的白光中子束流, 以及中子与氢的 ¹H(n, el)反应, 可以获得宽能谱的能量连续次级质子. 利用1 GSps采样率、12 bit的波形数字化获取系统采集探测器输出波形信号, 通过对波形信号的分析, 得到中子及反冲质子的飞行时间, 进而得到反冲质子的动能. 利用该方法得到的质子, 为探测器质子标定等研究提供了新的研究平台. 在该研究平台已经开展了带电粒子望远镜的标定实验. 研究了CsI (Tl)探测器不同的信号读出方式对望远镜的Δ E- E二维谱、幅度-质子动能二维谱等粒子鉴别方法得到的粒子鉴别的效果, 得到了较优的探测器信号读出方案. 该研究为带电粒子望远镜的建设提供了实验依据, 也说明了基于反角白光中子源的宽能谱质子标定的可行性.

关键词:

Abstract

At present, there exist few proton-beam terminals for the detector calibration in the world. Meanwhile, most of these terminals provide monoenergetic protons. Back-n white neutron source from China Spallation Neutron Source(CSNS) was put into operation in 2018. Based on the white neutron flux ranging from 0.5 eV to 200 MeV from the CSNS Back-n white neutron source, continuous-energy protons involved in a wide energy spectrum can be acquired from the ¹H(n, el) reaction. Adopting this method, a new research platform for researches such as proton calibration is realized at CSNS. As hydrogen exists as gas at normal temperature and pressure, in the selecting of the proton-converting target, the hydrogen-rich compounds are preferential considered. Considering the reaction cross sections of the ¹H(n, el), ¹²C(n, p) ¹²B, ¹²C(n, d) ¹¹B, ¹²C(n, t) ¹⁰B, ¹²C(n, ³He) ¹⁰Be, ¹²C(n, α) ⁹Be and ¹H(n, γ) ²H, polyethylene and polypropylene are suitable for serving as targets in this research. Based on a 3U PXIe, digitizers with 1 GSps sampling rate and 12 bit resolution are utilized to digitize and record the output signals of telescopes. The time and amplitude information of each signal are extracted from its recorded waveform. Proton fluxes can be calculated by using the neutron energy spectrum and the cross section of the ¹H(n, el) reaction. Using the γ-flash event as the starting time of the time-of-flight (TOF) and the time information of signal in detector as the stopping time, the kinematic energy of each secondary proton can be deduced from the TOF and the angle of the detector. A calibration experiment on three charged particle telescopes, with each telescope consisting of a silicon detector and a CsI(Tl) detector, is carried out on this research platform. The readout methods of the CsI(Tl) detectors in these three telescopes are different. In the calibration experiment, Δ E- Etwo-dimensional spectra and amplitude- E _ptwo-dimensional spectra of these telescopes are obtained. Through comparing these particle identification spectra, the SiPM is chosen as the signal readout method for CsI(Tl) detectors in the charged particle telescopes. These researches provide experimental evidence for the construction of the charged particle telescope at Back-n, and also illustrate the feasibility of wide-energy spectrum proton calibration based on the Back-n white neutron source.

Keywords:

作者及机构信息

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通信作者:樊瑞睿,fanrr@ihep.ac.cn

基金项目:国家重点研发计划(批准号: 2016YFA0401604)、国家自然科学基金 (批准号: 12005115)和广东省基础与应用基础研究基金联合基金(批准号: 2019A1515110287)资助的课题.

Authors and contacts

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Corresponding author:Fan Rui-Rui,fanrr@ihep.ac.cn

Funds:Project supported by the National Key R&D Program of China (Grant No. 2016YFA0401604), the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 12005115), and the Basic and Applied Basic Research Foundation of Guangdong Province, China (Grant No. 2019A1515110287)

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参考文献

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中子能量区间	中子通量/(s^–1·cm^–2)	反冲质子流强/s^–1*
0.1 — 1.0 eV	4.08 × 10³	1.75 × 10²
1 — 10 eV	1.79 × 10⁴	7.68 × 10²
10—100 eV	3.01 × 10⁴	1.30 × 10³
0.1 —1.0 keV	5.01 × 10⁴	2.15 × 10³
1 — 10 keV	1.23 × 10⁵	5.14 × 10³
10 — 100 keV	4.30 × 10⁵	1.44 × 10⁴
0.1— 1.0 MeV	2.98 × 10⁶	4.57 × 10⁴
1 — 10 MeV	2.77 × 10⁶	1.56 × 10⁴
10 — 40 MeV	4.62 × 10⁵	6.01 × 10²
40 — 70 MeV	9.93 × 10⁴	3.48 × 10¹
70 — 100 MeV	4.10 × 10⁴	8.54 × 10⁰
100 — 130 MeV	1.65 × 10⁴	2.32 × 10⁰
130 — 160 MeV	6.14 × 10³	7.53 × 10^-1
160 — 200 MeV	1.63 × 10³	1.99 × 10^-1
总计	7.03 × 10⁶	8.59 × 10⁴
注: *束斑直径为Φ60 mm, 利用10 μm厚的聚乙烯薄膜作为靶.

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