散裂中子源(CSNS)飞行时间探测器(TOF)磁屏蔽笼

散裂中子源(CSNS)飞行时间探测器(TOF)磁屏蔽笼 - 磁屏蔽

散裂中子源是国首台强流加速器驱动的脉冲中子源,也是世界四大散裂中子源之一。其核心原理是:1.6 GeV的高能质子束轰击钨靶,产生高强度脉冲中子束流。这些中子束流被引导至各条束线,服务于材料科学、凝聚态物理、化学、纳米科学等众多领域的科学研究

CSNS的中子散射谱仪普遍采用飞行时间(Time-of-Flight, TOF)模式。中子束流以脉冲形式射出,不同能量的中子飞行速度不同——到达探测器的时间也不同。通过精确测量每一个中子的飞行时间,即可反推出其能量和波长信息位置灵敏的二维探测器在精确测量中子飞行时间的同时,还记录中子在探测器平面上的空间位置(二维坐标),从而同时获得中子的能量(波长)和散射角度信息。这种“时间 + 空间”的双重信息,使TOF探测器能够同时解析样品在原子和纳米尺度的结构信息

然而,TOF探测器的极高精度也使其面临严苛的噪声挑战。中子不带电、穿透力极强,其信号极其微弱。探测器及其前端电子学对任何形式的电磁干扰都极为敏感。与此同时,CSNS加速器大厅和靶站周围存在强磁场环境——加速器磁铁、束流传输磁铁、电源系统等产生的杂散磁场,会通过多种途径耦合进入探测器系统,在信号链路上感应出附加噪声,导致TOF谱信噪比下降、能量分辨率恶化、弱信号被淹没

TOF探测器磁屏蔽笼正是为解决这一“电磁噪声淹没弱信号”问题而设计。它采用多层坡莫合金(MuMETAL®/Co-NETIC® AA级) 精密加工成笼式或箱式结构,将TOF探测器及其前端电子学整体包裹。磁屏蔽笼利用坡莫合金的磁分路原理——为干扰磁场提供一条低磁阻路径,使磁力线优先沿屏蔽笼“绕道而行”而非穿透屏蔽笼干扰探测器——为pA级乃至fA级的中子探测信号构建一条纯净、低噪声的传输通道,从根本上保障CSNS的TOF谱精度与实验数据可靠性

在散裂中子源(SNS)的中子电偶极矩(nEDM)等对磁场环境有极致要求的实验中,已采用五层坡莫合金构建被动磁屏蔽系统。对于CSNS的TOF探测器,磁屏蔽笼可根据探测器尺寸、束线布局和磁场分布特征按图定制,提供从磁场仿真到加工交付的全流程服务


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