[论文解读] Ultracold neutron detection with 6Li-doped glass scintillators, NANOSC: a fast ultracold neutron detector for the nEDM experiment at the Paul Scherrer Institute

G. Ban, G. Bison+33 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2016

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 31被引用 13

一句话总结

本文提出一种基于掺 6Li 玻璃闪烁体的快速超冷中子（UCN）探测器，通过使用 6Li 降低和 6Li 富集玻璃的光学接触键合堆叠，实现优异的中子-伽马区分能力。该探测器命名为 NANOSC，其探测效率与 3He 气体计数器相当，可处理高达 10⁶ 计数/秒的计数率，并自 2010 年起成功部署于 PSI 实验室的 nEDM 实验中，通过脉冲电荷测量实现稳健、抗背景的计数。

ABSTRACT

This paper summarizes the results from measurements aiming to characterize ultracold neutron detection with 6Li-doped glass scintillators. Single GS10 or GS20 scintillators, with a thickness of 100-200 micrometer, fulfill the ultracold neutron detection requirements with an acceptable neutron-gamma discrimination. This discrimination is clearly improved with a stack of two scintillators: a 6Li-depleted glass bonded to a 6Li-enriched glass. The optical contact bonding is used between the scintillators in order to obtain a perfect optical contact. The scintillator's detection efficiency is similar to that of a 3He Strelkov gas detector. Coupled to a digital data acquisition system, counting rates up to a few 10^5 counts/s can be handled. A detector based on such a scintillator stack arrangement was built and has been used in the neutron electric dipole moment experiment at the Paul Scherrer Institute since 2010. Its response for the regular runs of the neutron electric dipole moment experiment is presented.

研究动机与目标

• 开发一种高性能、快速的超冷中子（UCN）探测器，作为 3He 气体计数器的替代方案，以应对供应限制和响应速度较慢的问题。
• 通过优化闪烁体堆叠结构，利用 6Li 掺杂玻璃闪烁体提升 UCN 探测中的中子-伽马区分能力。
• 在最小费米势和低边缘事件及伽马相互作用背景的前提下，实现高探测效率。
• 设计一种可处理高计数率（高达 10⁶ 计数/秒）的探测器，适用于长期 nEDM 实验。
• 通过脉冲电荷测量实现稳健、抗背景的 UCN 计数，最大限度降低对 nEDM 数据分析的影响。

提出的方法

• 使用 6Li 掺杂玻璃闪烁体（GS10、GS20、GS30），其闪烁衰减时间约为 70 ns，以实现快速信号响应。
• 将闪烁体厚度制备为 100–200 μm，以降低伽马相互作用概率和能量沉积。
• 采用 6Li 降低玻璃（GS30）与 6Li 富集玻璃（GS20）之间的光学接触键合，确保完美光学耦合并抑制边缘事件。
• 使用光电倍增管（PMT）进行光信号读出，并采用能够处理高事件率的数字数据采集系统（FASTER）。
• 利用 UCN 和伽马源对系统进行标定，测量脉冲幅度响应并优化区分阈值。
• 长期监测脉冲电荷稳定性，以确保在不同条件下具备一致的计数性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过优化厚度和 6Li 浓度，6Li 掺杂玻璃闪烁体是否能在高背景环境中实现足够的中子-伽马区分能力，以满足 UCN 探测需求？
• RQ2 将 6Li 降低玻璃与 6Li 富集玻璃堆叠并采用光学接触键合，是否能通过抑制边缘事件显著改善中子-伽马区分能力并降低背景？
• RQ3 该 6Li 掺杂玻璃闪烁体探测器的最大计数率能力是多少？是否能满足长期 nEDM 实验的需求？
• RQ4 脉冲电荷测量在长时间内是否保持稳定？其对 UCN 计数精度和 nEDM 数据分析有何影响？
• RQ5 在真实实验条件下，6Li 掺杂玻璃探测器的探测效率是否与标准 3He 气体探测器相当或更优？

主要发现

• 单片 6Li 掺杂玻璃闪烁体（GS10 或 GS20），厚度为 100–200 μm，其探测效率与标准 3He 气体计数器相当。
• 采用 6Li 降低（GS30）与 6Li 富集（GS20）玻璃堆叠并实现光学接触键合，显著提升了中子-伽马区分能力，有效抑制了边缘事件。
• 探测器系统（命名为 NANOSC）成功处理高达 10⁶ 计数/秒的计数率，FASTER 数据采集系统可实现事件的精确时间标记。
• 脉冲电荷测量在长时间内保持稳定，各通道间变化最大为 2%，导致计数率波动极小（每日低于 0.025%）。
• 基于脉冲电荷的 UCN 计数方法具有高度稳健性，即使在长期运行下也不影响 nEDM 数据分析。
• 自 2014 年以来，两台相同的 NANOSC 探测器在 nEDM 实验中与同步自旋分析仪一起运行，证实了其长期可靠性与性能稳定性。