CN111505697A - 一种高性能缪子自旋探测器 - Google Patents

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董靖宇
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Abstract

本发明公开了一种高性能缪子自旋探测器，包括小尺寸方形塑料闪烁体(1)、长的弯曲形光导(2)、带有方形孔的台阶形圆柱光导固定座(3)、管套(5)、光电倍增管(10)及光电倍增管偏压电路(14)。本发明使用带有方形孔的台阶形圆柱光导固定座耦合长的弯曲形光导和光电倍增管，相比传统的将光导尾部加工成圆台形结构的方法，极大降低了加工难度，而且降低了对信号输出幅度的影响，以及进一步提高了蔽光性能；使用特殊的磁屏蔽设计，可以屏蔽至少60Gs的外加磁场，降低了外部磁场的影响，可以使缪子自旋探测器应用于需要外加磁场的场景；光电倍增管与管套之间使用支撑座和弹簧连接的方式，能使光电倍增管端面和长的弯曲形光导尾部耦合紧密，使光电倍增管在管套内固定良好，同时底盖的螺纹铆合设计能保证蔽光良好。

Description

一种高性能缪子自旋探测器
技术领域
本发明主要应用于缪子自旋谱学应用领域，也涉及使用塑料闪烁体的粒子探测或核探测领域，具体涉及一种高性能缪子自旋探测器。
背景技术
缪子自旋谱学(muon spin rotation/relaxation/resonance spectroscopy，简称μSR谱学)是研究超导、磁性材料、半导体材料、锂电池、化学反应等领域与磁性和分子动力学相关的重要学科。该学科以高度自旋极化的缪子为磁探针与材料局域磁场相互作用，并通过探测器阵列探测缪子衰变产生正电子的非对称分布以实现对材料局域磁性或者与之相关属性的表征。
μSR谱学依赖于加速器缪子源，而缪子源需要使用质子束打靶产生，因而μSR实验平台一般建在具有高能质子束的散裂中子源上。国际上正式运营的缪子源共有四处，其中英国卢瑟福·阿普尔顿实验室的ISIS中子与缪子源使用“塑料闪烁体+长光导+光电倍增管”的缪子自旋探测器结构搭建阵列化μSR谱仪。其相关发表文献中只报道了不同类型缪子自旋探测器的尺寸，并未对探测器的封装、蔽光处理和光电倍增管的磁屏蔽处理对输出信号的信噪比影响进行报道。
目前，国内首个散裂中子源—中国散裂中子源(CSNS)初步建成，基于CSNS的中国首个实验缪子源(EMuS)尚在概念设计阶段，并将在CSNS II期升级工程中动工建设。因此，当前国内在μSR谱学和与之相关的缪子自旋探测器建设与运行方面尚处空白。
针对EMuS进行μSR谱学应用的现实需求，围绕缪子自旋探测器的结构，研发最佳的闪烁体与光导封装与蔽光以及光电倍增管磁屏蔽方案，尽可能增加探测器输出信号的幅度，以提高信噪比和高低能正电子信号区分能力，从而保证μSR谱仪高性能运行。
发明内容
本发明旨在针对国内在μSR谱仪搭建方面的研究空白，提供了一种高输出信号幅度、高信噪比、正电子高低能量区分能力良好和蔽光性好的高性能缪子自旋探测器。
本发明采用的技术方案为：一种高性能缪子自旋探测器，包括小尺寸方形塑料闪烁体1、长的弯曲形光导2、带有方形孔的台阶形圆柱光导固定座3，其中长的弯曲形光导的尾部伸入带有方形孔的台阶形圆柱光导固定座3内并用不透明胶水粘合以固定长的弯曲形光导和完全蔽光；同时，还包括管套5，光电倍增管10、光电倍增管偏压电路14、坡莫合金圆筒16、台阶形绝缘圆筒15、光电倍增管偏压电路支撑座11、接头固定座12以及底盖6；台阶形绝缘圆筒15套在光电倍增管10外并用螺丝固定，坡莫合金圆筒16套在台阶形绝缘圆筒15上，坡莫合金圆筒16伸出光电倍增管10长度外三分之一以尽可能屏蔽外磁场，而台阶形绝缘圆筒15起到在坡莫合金圆筒16和光电倍增管10之间支撑和绝缘的作用；光电倍增管偏压电路支撑座11是杯形空心结构，既能支撑光电倍增管偏压电路14，又能让光电倍增管偏压电路14上的导线从空心处伸出；SHV接头8和BNC接头7固定在接头固定座12上，该接头固定座12与光电倍增管偏压电路支撑座11直接用长螺丝和弹簧13连接；管套5头部车有内螺纹9，带有方形孔的台阶形圆柱光导固定座3伸入管套5内使长的弯曲形光导2尾部和光电倍增管10端面即光阴极所在位置耦合时，通过带有方形孔的台阶形圆柱光导固定座3的外螺纹4和管套5头部的内螺纹9螺纹连接，既能连接紧密，又能完全蔽光。
本发明原理在于：带有方形孔的台阶形圆柱光导固定座与长的弯曲形光导使用不透明胶水粘接，既能固定长的弯曲形光导，又能蔽光。带有方形孔的台阶形圆柱光导固定座端面为平整圆面，与光电倍增管耦合时可以使其端面充分接触并受力均匀，既不损伤光电倍增管，又能提高荧光光子的收集效率。特殊的磁屏蔽设计，可以使探测器在外磁场环境下正常工作。底盖上车有螺纹，可与管套尾部螺纹连接，起到固定接头固定座和完全蔽光的作用。同时由于接头固定座与光电倍增管偏压电路支撑座之间连接的螺丝上套有弹簧，当底盖旋紧在管套尾部时，弹簧会因为受到压力而一定程度收缩，此设计能保证光电倍增管端面和长的弯曲形光导尾部紧密连接以提高荧光光子的收集效率。
本发明的有益效果主要集中体现在以下几个方面：
(1)由于使用特氟龙(PTFE)胶带包裹小尺寸方形塑料闪烁体和铝箔包裹长的弯曲形光导的混合封装方式，信号输出幅度相比传统使用特氟龙胶带全包裹方式提高了约200％；
(2)使用带有方形孔的台阶形圆柱光导固定座耦合长的弯曲形光导和光电倍增管，相比传统的将光导尾部加工成圆台形结构，极大降低了加工难度，而且降低了对信号输出幅度的影响，以及进一步提高了蔽光性能；
(3)使用特殊的磁屏蔽设计，可以屏蔽至少60Gs的外加磁场，降低了外部磁场的影响，可以使缪子自旋探测器应用于需要外加磁场的场景；
(4)光电倍增管与管套之间使用支撑座和弹簧连接的方式，能使光电倍增管端面和长的弯曲形光导尾部耦合紧密，使光电倍增管在管套内固定良好，同时底盖的螺纹连接设计能保证蔽光良好；
(5)闪烁体和光导使用从国外大块订购，国内批量切割和加工的方式，相比传统的全套从国外定制的方式，极大地降低了生产成本，而且便于产品品质控制、设计修改与优化。
附图说明
图1是本发明一种高性能缪子自旋探测器整体结构示意图
图2是光电倍增管管套内部结构剖视图
图中：1、小尺寸方形塑料闪烁体；2、长的弯曲形光导；3、带有方形孔的台阶形圆柱光导固定座；4、外螺纹；5、管套；6、底盖；7、BNC接头；8、SHV接头；9、内螺纹；10、光电倍增管；11、光电倍增管偏压电路支撑座；12、接头固定座；13、长螺丝和弹簧；14、光电倍增管偏压电路；15、台阶形绝缘圆筒；16、坡莫合金圆筒。
具体实施方式
以下将对本发明的具体实施方式进行详细描述。以下实施例中所用的近似性语言可用于定量表述，说明在不改变基本功能的情况下可允许一定数量的变动。
如图1、图2所示，一种高性能缪子自旋探测器，主要由小尺寸方形塑料闪烁体1、长的弯曲形光导2、带有方形孔的台阶形圆柱光导固定座3、光电倍增管10及光电倍增管偏压电路14和管套5组成。
小尺寸方形塑料闪烁体1和长的弯曲形光导2使用光学胶粘接。小尺寸方形塑料闪烁体1使用特氟龙(PTFE)胶带包裹，长的弯曲形光导2使用薄的铝箔包裹，然后整体使用黑色胶带封装以蔽光。长的弯曲形光导2的弯曲部分的角度可以是90度，也可以大于90度，根据实验需要进行调节。长的弯曲形光导2的尾部从带有方形孔的台阶形圆柱光导固定座3的方孔伸入并与其端面平齐，然后将黑色或者其他不透明胶水灌入方孔的缝隙中粘牢以蔽光。带有方形孔的台阶形圆柱光导固定座3从管套5的头部伸入以与光电倍增管10的端面(光阴极所在位置)贴合紧密，带有方形孔的台阶形圆柱光导固定座3端部表面积略大于光电倍增管10的表面积，可以使光电倍增管10端面整体受力均匀，从而对光电倍增管10厚度约1.5mm的端面进行有效保护。带有方形孔的台阶形圆柱光导固定座3的外螺纹4可以与管套5头部的内螺纹9螺纹连接从而使长的弯曲形光导固定在管套5上以及完全蔽光。闪烁体、光导和光导固定座方孔的尺寸根据实际需要可进行修改。
光电倍增管10及光电倍增管偏压电路14是滨松公司产的1英寸R6427和E2624-14，这两部分在生产时是一体成形不可分离的，在其连接处伸出两个带孔的耳形结构以方便固定在其他机械结构上。台阶形绝缘圆筒15套在光电倍增管10上，并用螺丝通过光电倍增管耳形结构与其固定。坡莫合金圆筒16套在台阶形绝缘圆筒15上，其长度比光电倍增管10的长度长三分之一，以使光电倍增管10的打拿级全部被坡莫合金圆筒16覆盖，最大程度地将外磁场屏蔽在坡莫合金圆筒16外。坡莫合金圆筒16厚度为1mm，可以屏蔽至少60Gs外磁场，其厚度可以根据需要增加以屏蔽更强的外磁场。
光电倍增管偏压电路支撑座11和接头固定座12通过三组长螺丝和弹簧13相连接。光电倍增管偏压电路14上的电源线和信号线从光电倍增管偏压电路支撑座11的空心处伸向接头固定座12，分别与接头固定座12上铆紧的SHV接头8和BNC接头7焊接。光电倍增管偏压电路支撑座11用于支撑光电倍增管10及光电倍增管偏压电路14。
导线焊接好后，在光电倍增管10的端面处涂抹光学硅脂以保证端面与长的弯曲形光导尾部耦合紧密，排除掉空气隙。将光电倍增管10、光电倍增管偏压电路14、光电倍增管偏压电路支撑座11和接头固定座12从管套5的尾部伸入管套5内。轻度按压接头固定座12，感受到弹簧有压缩感，此时光电倍增管10的端面与带有方形孔的台阶形圆柱光导固定座端面紧密贴合。将底盖6与管套5尾部旋紧，此时感受到弹簧略有压缩感，说明光电倍增管10与长的弯曲形光导2耦合良好。底盖6的螺纹设计可以使管套5蔽光良好。
本实施例中小尺寸方形塑料闪烁体采用Eljen公司生产的EJ200，长的弯曲形光导使用PLEXIGLAS品牌，光学胶使用Eljen公司生产的EJ500，也可使用圣戈班公司生产的BC600，光学硅脂使用Eljen公司生产的EJ550。
装置的工作原理：缪子衰变产生的正电子穿过小尺寸方形塑料闪烁体1时沉积能量并产生荧光光子，荧光光子在小尺寸方形塑料闪烁体1和长的弯曲形光导2上传输，光子经过包裹材料界面时会发生反射而重新进入长的弯曲形光导2内传输，最终光子会传输到光电倍增管10的光阴极上发生光电效应产生光电子。光电子在光电倍增管10的多个打拿级间倍增，在其阳极上输出电信号并经由光电倍增管偏压电路14的信号线从BNC接头7处引出。
以上对本发明的实施例进行了详细说明。凡在本发明的申请范围内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种高性能缪子自旋探测器，其特征在于：包括小尺寸方形塑料闪烁体(1)、长的弯曲形光导(2)、带有方形孔的台阶形圆柱光导固定座(3)，其中长的弯曲形光导的尾部由方形孔伸入带有方形孔的台阶形圆柱光导固定座(3)内并用不透明胶水粘合以固定长的弯曲形光导和完全蔽光；同时，还包括管套(5)，光电倍增管(10)及光电倍增管偏压电路(14)、坡莫合金圆筒(16)、台阶形绝缘圆筒(15)、光电倍增管偏压电路支撑座(11)、接头固定座(12)以及底盖(6)；台阶形绝缘圆筒(15)套在光电倍增管(10)外并用螺丝固定，坡莫合金圆筒(16)套在台阶形绝缘圆筒(15)上，坡莫合金圆筒(16)伸出光电倍增管(10)长度外三分之一以尽可能屏蔽外磁场，而台阶形绝缘圆筒(15)起到在坡莫合金圆筒(16)和光电倍增管(10)之间支撑和绝缘的作用；光电倍增管偏压电路支撑座(11)是杯形空心结构，既能支撑光电倍增管偏压电路(14)，又能让光电倍增管偏压电路(14)上的导线从空心处伸出；SHV接头(8)和BNC接头(7)固定在接头固定座(12)上，该接头固定座(12)与光电倍增管偏压电路支撑座(11)直接用长螺丝和弹簧(13)连接；管套(5)头部车有内螺纹(9)，带有方形孔的台阶形圆柱光导固定座(3)伸入管套(5)内使长的弯曲形光导(2)尾部和光电倍增管(10)端面即光阴极所在位置耦合时，通过带有方形孔的台阶形圆柱光导固定座(3)的外螺纹(4)和管套(5)头部的内螺纹(9)螺纹连接，既能连接紧密，又能完全蔽光。
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