[论文解读] The neutron tagging facility at Lund University

F. Messi, H. Perrey+28 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2017

Nuclear Physics and Applications参考文献 19被引用 8

一句话总结

本文介绍了隆德大学的中子标记装置，这是一种低成本、高精度的中子束系统，利用放射性核素产生的标记中子，用于验证无He-3中子探测器。通过结合中子标记与飞行时间测量，该装置能够实现逐事件的精确中子能量测定，为欧洲散裂源启用前及在He-3短缺背景下，提供一种经济高效的探测器研发替代方案。

ABSTRACT

Over the last decades, the field of thermal neutron detection has overwhelmingly employed He-3-based technologies. The He-3 crisis together with the forthcoming establishment of the European Spallation Source have necessitated the development of new technologies for neutron detection. Today, several promising He-3-free candidates are under detailed study and need to be validated. This validation process is in general long and expensive. The study of detector prototypes using neutron-emitting radioactive sources is a cost-effective solution, especially for preliminary investigations. That said, neutron-emitting sources have the general disadvantage of broad, structured, emitted-neutron energy ranges. Further, the emitted neutrons often compete with unwanted backgrounds of gamma-rays, alpha-particles, and fission-fragments. By blending experimental infrastructure such as shielding to provide particle beams with neutron-detection techniques such as tagging, disadvantages may be converted into advantages. In particular, a technique known as tagging involves exploiting the mixed-field generally associated with a neutron-emitting source to determine neutron time-of-flight and thus energy on an event-by-event basis. This allows for the definition of low-cost, precision neutron beams. The Source-Testing Facility, located at Lund University in Sweden and operated by the SONNIG Group of the Division of Nuclear Physics, was developed for just such low-cost studies. Precision tagged-neutron beams derived from radioactive sources are available around-the-clock for advanced detector diagnostic studies. Neutron measurements performed at the Source Testing Facility are thus cost-effective and have a very low barrier for entry. In this paper, we present an overview of the project.

研究动机与目标

• 应对因He-3短缺及欧洲散裂源即将启用而带来的对无He-3中子探测技术日益增长的需求。
• 克服传统中子发射源的局限性，后者会产生宽广且结构化的能谱以及较高的本底水平。
• 开发一种低成本、易获取的平台，利用标记中子实现先进探测器的诊断，从而实现逐事件的精确能量测量。
• 为原型中子探测器提供一种实用、全天候的测试解决方案，显著降低研究人员的入门门槛。

提出的方法

• 使用放射性中子发射源（例如 252Cf）作为主要中子源。
• 通过探测源衰变过程中产生的相关粒子（例如裂变碎片或瞬发伽马射线）来实现中子标记，以识别单个中子事件。
• 利用标记事件作为时间基准，测量中子从源到探测器的飞行时间（TOF）。
• 应用飞行时间信息，逐事件确定每个探测中子的能量。
• 集成屏蔽和粒子探测系统，以抑制背景辐射（例如伽马射线、阿尔法粒子）。
• 在隆德大学核物理系的源-测试装置中运行，以提供经过校准的、高精度的标记中子束。

实验结果

研究问题

• RQ1 来自放射性源的标记中子是否能提供足够的能量分辨率，以验证新型无He-3中子探测器？
• RQ2 中子标记在利用放射性源的中子探测实验中，能否有效降低背景干扰？
• RQ3 该装置在多大程度上实现了经济高效、高精度的中子束表征，以支持探测器研发？
• RQ4 能否在紧凑的非加速器系统中可靠地实现基于飞行时间的逐事件中子能量测定？
• RQ5 与传统中子束相比，该标记系统的能量分辨率和实验可及性表现如何？

主要发现

• 该装置成功利用放射性源生成了高精度的标记中子束，通过飞行时间技术实现了逐事件的中子能量测定。
• 中子标记通过相关粒子探测，有效抑制了背景辐射，包括伽马射线和阿尔法粒子。
• 该系统为中子探测器验证提供了一种低成本、全天候的解决方案，显著降低了研究人员的入门门槛。
• 该方法为无He-3中子探测器原型的初步和高级诊断提供了足够的能量分辨率。
• 该装置证明了利用放射性源产生的标记中子作为加速器或反应堆中子束的可行替代方案。
• 隆德大学的源-测试装置已投入运行，并正在积极支持欧洲散裂源背景下的探测器研发及应对He-3危机。