缪子自旋谱仪样机研发工作发表在《IEEE TNS》
中国散裂中子源（CSNS）即将在其II期升级工程中建设中国首个实验缪子源（EMuS），以开展缪子自旋谱学（muon spin rotation/relaxation/resonance，μSR）应用。EMuS缪子源是国际上唯一采用低重复频率脉冲质子束驱动的缪子源。在EMuS缪子源关键技术研制过程中，本实验室承担其128路μSR谱仪样机的研发工作。本实验室在研制过程中确定了谱仪非对称因子（A）与计数率（N）对μSR实验谱数据误差满足σstats.µ1/√N/A的关系，因此在谱仪建设过程中采用了独特的高非对称因子设计，有效解决了由于束流重复频率低导致的数据统计误差过大的难题。
图1 左：128路μSR谱仪探测器阵列布局；右：L形探测器在Geant4中几何模型，弯曲处使用AutoCAD的loft命令创建，其中A - Perfect quarter tube、B – draft angle、C – normal to end sections、D – normal to start sections和D – normal to all sections。
为了充分利用EMuS每个束团高流强的特点以及满足在强磁场条件下进行实验测量的需求，实验室提出了“闪烁体+L形弯曲光导+光电倍增管（PMT）”的探测器模块化设计方案，具体结构如图1所示。由于光导长750 mm且需要进行弯曲处理，正电子在闪烁体中沉积能量产生的荧光光子在PMT光阴极处的收集效率（LCE）将受到影响，最终会影响μSR实验谱的测量。通过模拟计算和实验测量，本研究组提出了“闪烁体包裹PTFE薄膜，光导包裹铝箔”（PTFE-Al）的一种新型混合封装方案。实验和理论模拟计算表明“PTFE-Al”是最优的封装方案，也从微观上对该方案的可行性和普适性进行了强有力的支撑。
图2 长直探测器与L形弯曲探测器相对荧光收集效率的（a）实验测量和（b）模拟计算结果。横坐标“XXX-YYY”表示闪烁体封装“XXX”材料，光导封装“YYY”材料
探测器在国内完成搭建与测试后，运输至英国ISIS缪子源进行了束流测试。图3给出了英国EMU探测器和实验室所研制的样机探测器脉冲幅度谱以及μSR实验谱数据。从图可以看出，样机探测器与EMU探测器在性能上基本一致，都能对样品磁场进行精确表征。因此，可以认为实验室所研制的μSR谱仪探测器达到国际同类水平。
图3 （a、d）英国EMU探测器和样机探测器脉冲幅度谱，（b、c、d、f）英国EMU探测器与样机探测器在连接相同电子学时测得的150G横向磁场下的μSR实验谱。
研究工作以“Development of L-Bent Positron Detectors for μSR Applications at China Spallation Neutron Source”为题发表在核科学与技术top期刊IEEE Transactions on Nuclear Science上，文章第一作者为实验室博士后潘子文，通讯作者为叶邦角教授。研发团队主要成员有：叶邦角教授（项目负责人）、梁昊副教授（电子学子课题负责人）、潘子文、董靖宇、林泽斌、王喆、何正扬、孙秀南、李雪健、赵唱唱，以及已毕业研究生：倪晓杰、邓凡水、庄淼清、张英鸽、付恩琪等。感谢国家自然科学基金重大仪器项目、青年基金以及核探测与核电子学国家重点实验室自主课题对本研究的资助。
图4 在英国ISIS缪子源束流测试和样机验收
