Monte Carlo simulation of the neutron detection wall at RIBLL II in HIRFL-CSR

With the construction of the new Radioactive Ion Beam Line in Lanzhou (RIBLL II) which connects the CSRm and the CSRe, an experimental setup for physics research is highly required. A large area neutron detection wall is the main part of the setup. This paper introduced the detection principle of the neutron detection wall and the Monte-Carlo simulation of its design under the environment of the Geant4 toolkit. We presented the final design with the optimized parameters and the performance of the wall.

Measurement of neutron flow with the external target experimental device on CSR

With the construction of the neutron detection wall at the external target position on Heavy Ion Research Facility in Lanzhou-Cooling Storage Ring (HIRFL-CSR), it will be possible to detect high energy neutron. A BUU model is applied to simulate the flow in both symmetric (Ni+Ni, Pb+Pb) and asymmetric(Pb+Ni) systems. It is shown that at above several hundreds MeV/u, the flow signals are very obvious and depend clearly on the centrality of the collisions. Based on the products in the forward angle less than 20 degrees, the simulation also reveals that the determination of the reaction plane and the selection of the impact parameter, both of which are essential in the flow measurement, are well implemented. The double event and its influence on the determination of the neutron flow are also simulated.

A new technique for thermal neutron detection using pyroelectric ceramics

In this article a new technique for thermal neutron detection using pyroelectric ceramics is described. The detector system is basically constituted of a PZT (lead zirconate titanate) ceramic attached to an uranium disk. The energy released in the uranium fission gives rise to an electrical signal in the detector which is amplified by a lock-in system. The neutron beam impinging on the uranium disk was modulated with a cadmium chopper. Thermal neutron fluxes within the interval of 103 to 106 n/cm2 s have been detected using a U3O8 pellet with 20% enrichment in 235U. © 1992.

中子墙探测器前端电子学研究

随着国家大科学工程兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)建成，CSRm实验探测系统也正在建设当中。CSRm实验探测系统由外靶系统和内靶系统构成。外靶系统主要有γ探测器、多丝漂移室（MWDC）、ToF墙(ToF Wall)、中子墙（Neutron Wall）等探测器组成，主要用于核物理研究。其中，用于探测中子的中子墙探测器是外靶系统中的一个重要组成部分，它有252个探测单元，每一个探测器单元都要求既有很好的能量分辨，也要有很好的时间分辨，同时还要求数据获取率达到每秒几千个事件。对于这样先进的探测器和大型实验探测系统采用传统的电子学仪器和方法已经无法构成读出电子学系统，建造与之相配的读出电子学系统是极为重要的和亟待解决的工作。为此，我们设计研发适合于中子墙探测器这样的大型闪烁体探测器的前端电子学读出系统。包括三大部分：16道电荷幅度转换电路（QAC），16道时间幅度转换电路（TAC）和有效信号判断电路。本论文的主要内容如下：在第一章绪论中，介绍了论文课题的出发点以及课题的意义，并对课题的背景进行了介绍。第二章介绍我们所自行设计的中子墙探测器的特点、结构。分析了中子墙探测器的输出信号的特点以及对后续前端电子学读出系统的要求。第三章是本论文两大核心部分之一，是本论文的创新点所在。主要介绍了我们电荷幅度转换的新方法，结合通常的QAC电路方法和具体的实际情况，我们自行提出了一种新的QAC电路，包括以下几个部分：差分输入电路、电流分割、上下恒流源、门控电流积分器。我们的创新点在于，我们用上下恒流源分别代替了通常QAC中作为电流分配的电流镜像和作为电流基准的电阻，这样一来更容易得到比较稳定的偏置电流，从而能够得到更高的转换精度。第四章是本论文的另外一个核心部分，首先我们论述了核电子学时间测量的几种方法，在对它们进行对比后，结合中子墙的实际特点，我们确定了采用起停型的TAC方法。然后介绍了TAC的原理，以及具体的电路结构。第五章主要的内容是对我们整个电路的逻辑电路进行了详细的介绍，它包括16道QAC和16道TAC的积分控制信号和泄放控制信号的产生电路以及有效信号判断电路。详细论述了这些逻辑关系以及如何在CPLD实现，并且给出了仿真结果。第六章详细讨论了我们在设计PCB板时遇到的问题及其解决方法。第七章介绍了多路QAC和多路TAC主要指标及其测试方法、步骤、结果并给出了误差分析。在总结部分我们回顾了我们整个工作的过程，介绍了论文的主要成果和创新点以及对于整个CSR工程的意义。本论文的创新点： 1、提出了一种新型的QAC电路。 2、将16道QAC和16道TAC以及有效信号判断电路集成在一个插件中提高了电路的集成度，并为最终集成在一片ASIC芯片中打下坚实的基础。 3、用可编程逻辑器件代替ECL器件来构建逻辑电路，降低了功耗和成本并提高了系统的可靠性

Monte Carlo studies of micromegas as a neutron detector and its track reconstruction

In this paper a two dimensional readout micromegas detector with a polyethylene foil as converter was simulated on GEANT4 toolkit and GARFIELD for fast neutron detection. A new track reconstruction method based on time coincidence technology was developed in the simulation to obtain the incident neutron position. The results showed that with this reconstruction method higher spatial resolution was achieved.

Advanced data acquisition system implementation for the ITER Neutron Diagnostic use case using EPICS and FlexRIO technology on a PXIe platform

In the framework of the ITER Control Breakdown Structure (CBS), Plant System Instrumentation & Control (I&C) defines the hardware and software required to control one or more plant systems [1]. For diagnostics, most of the complex Plant System I&C are to be delivered by ITER Domestic Agencies (DAs). As an example for the DAs, ITER Organization (IO) has developed several use cases for diagnostics Plant System I&C that fully comply with guidelines presented in the Plant Control Design Handbook (PCDH) [2]. One such use case is for neutron diagnostics, specifically the Fission Chamber (FC), which is responsible for delivering time-resolved measurements of neutron source strength and fusion power to aid in assessing the functional performance of ITER [3]. ITER will deploy four Fission Chamber units, each consisting of three individual FC detectors. Two of these detectors contain Uranium 235 for Neutron detection, while a third "dummy" detector will provide gamma and noise detection. The neutron flux from each MFC is measured by the three methods: . Counting Mode: measures the number of individual pulses and their location in the record. Pulse parameters (threshold and width) are user configurable. . Campbelling Mode (Mean Square Voltage): measures the RMS deviation in signal amplitude from its average value. .Current Mode: integrates the signal amplitude over the measurement period

Étude de la réponse du détecteur ATLAS-MPX aux neutrons rapides

Les détecteurs ATLAS-MPX sont des détecteurs Medipix2-USB recouverts de convertisseurs de fluorure de lithium et de polyéthylène pour augmenter l’efficacité de détection des neutrons lents et des neutrons rapides respectivement. Un réseau de quinze détecteurs ATLAS-MPX a été mis en opération dans le détecteur ATLAS au LHC du CERN. Deux détecteurs ATLAS-MPX de référence ont été exposés à des sources de neutrons rapides 252 Cf et 241 AmBe ainsi qu’aux neutrons rapides produits par la réaction 7Li(p, xn) pour l’étude de la réponse du détecteur à ces neutrons. Les neutrons rapides sont principalement détectés à partir des protons de recul des collisions élastiques entre les neutrons et l’hydrogène dans le polyéthylène. Des réactions nucléaires entre les neutrons et le silicium produisent des particules-α. Une étude de l’efficacité de reconnaissance des traces des protons et des particules-α dans le détecteur Medipix2-USB a été faite en fonction de l’énergie cinétique incidente et de l’angle d’incidence. L’efficacité de détection des neutrons rapides a été évaluée à deux seuils d’énergie (8 keV et 230 keV) dans les détecteurs ATLAS-MPX. L’efficacité de détection des neutrons rapides dans la région du détecteur couverte avec le polyéthylène augmente en fonction de l’énergie des neutrons : (0.0346 ± 0.0004) %, (0.0862 ± 0.0018) % et (0.1044 ± 0.0026) % pour des neutrons rapides de 2.13 MeV, 4.08 MeV et 27 MeV respectivement. L’étude pour déterminer l’énergie des neutrons permet donc d’estimer le flux des neutrons quand le détecteur ATLAS-MPX est dans un champ de radiation inconnu comme c’est le cas dans le détecteur ATLAS au LHC.

Étude des collisions proton-proton dans l’expérience ATLAS avec les détecteurs ATLAS-MPX

Les seize détecteurs MPX constituant le réseau ATLAS-MPX ont été placés à différentes positions dans le détecteur ATLAS et sa averne au CERN dans le but de mesurer en emps réel les champs de radiation produits ar des particules primaires (protons des faisceaux) et des particules secondaires (kaons, pions, g, protons) issues des collisions proton-proton. Des films de polyéthylène (PE) et de fluorure de lithium (6LiF) recouvrent les détecteurs afin d’augmenter leur sensibilité aux neutrons produits par les particules primaires et secondaires interagissant avec les matériaux présents dans l’environnement d’ATLAS. La reconnaissance des traces laissées par les particules dans un détecteur ATLAS-MPX se fait à partir des algorithmes du logiciel MAFalda (“Medipix Analysis Framework”) basé sur les librairies et le logiciel d’analyse de données ROOT. Une étude sur le taux d’identifications erronées et le chevauchement d’amas a été faite en reconstruisant les activités des sources 106Ru et 137Cs. L’efficacité de détection des neutrons rapides a été mesurée à l’aide des sources 252Cf et 241AmBe (neutrons d’énergie moyenne de 2.13 et 4.08 MeV respectivement). La moyenne des efficacités de détection mesurées pour les neutrons produits par les sources 252C f et 241AmBe a été calculée pour les convertisseurs 6LiF et PE et donnent (0.8580 ± 0.1490)% et (0.0254 ± 0.0031)% pour LiF et (0.0510 ± 0.0061)% et (0.0591 ± 0.0063)% pour PE à bas et à haut seuil d’énergie respectivement. Une simulation du calcul de l’efficacité de détection des neutrons dans le détecteur MPX a été réalisée avec le logiciel GEANT4. Des données MPX correspondant aux collisions proton-proton à 2.4 TeV et à 7 TeV dans le centre de masse ont été analysées. Les flux détectés d’électrons et de photons sont particulièrement élevés dans les détecteurs MPX01 et MPX14 car ils sont plus près du point de collision. Des flux de neutrons ont été estimés en utilisant les efficacités de détection mesurées. Une corrélation avec la luminosité du LHC a été établie et on prédit que pour les collisions à 14 TeV dans le centre de masse et avec une luminosité de 10^34 cm-1*s-1 il y aura environ 5.1x10^8 ± 1.5x10^7 et 1.6x10^9 ± 6.3x10^7 particules détectées par les détecteurs MPX01 et MPX14 respectivement.

Mesure des champs de radiation dans le détecteur ATLAS et sa caverne avec les détecteurs au silicium à pixels ATLAS-MPX

Les collisions proton-proton produites par le LHC imposent un environnement radiatif hostile au détecteur ATLAS. Afin de quantifier les effets de cet environnement sur la performance du détecteur et la sécurité du personnel, plusieurs simulations Monte Carlo ont été réalisées. Toutefois, la mesure directe est indispensable pour suivre les taux de radiation dans ATLAS et aussi pour vérifier les prédictions des simulations. À cette fin, seize détecteurs ATLAS-MPX ont été installés à différents endroits dans les zones expérimentale et technique d'ATLAS. Ils sont composés d'un détecteur au silicium à pixels appelé MPX dont la surface active est partiellement recouverte de convertisseurs de neutrons thermiques, lents et rapides. Les détecteurs ATLAS-MPX mesurent en temps réel les champs de radiation en enregistrant les traces des particules détectées sous forme d'images matricielles. L'analyse des images acquises permet d'identifier les types des particules détectées à partir des formes de leurs traces. Dans ce but, un logiciel de reconnaissance de formes appelé MAFalda a été conçu. Étant donné que les traces des particules fortement ionisantes sont influencées par le partage de charge entre pixels adjacents, un modèle semi-empirique décrivant cet effet a été développé. Grâce à ce modèle, l'énergie des particules fortement ionisantes peut être estimée à partir de la taille de leurs traces. Les convertisseurs de neutrons qui couvrent chaque détecteur ATLAS-MPX forment six régions différentes. L'efficacité de chaque région à détecter les neutrons thermiques, lents et rapides a été déterminée par des mesures d'étalonnage avec des sources connues. L'étude de la réponse des détecteurs ATLAS-MPX à la radiation produite par les collisions frontales de protons à 7TeV dans le centre de masse a montré que le nombre de traces enregistrées est proportionnel à la luminosité du LHC. Ce résultat permet d'utiliser les détecteurs ATLAS-MPX comme moniteurs de luminosité. La méthode proposée pour mesurer et étalonner la luminosité absolue avec ces détecteurs est celle de van der Meer qui est basée sur les paramètres des faisceaux du LHC. Vu la corrélation entre la réponse des détecteurs ATLAS-MPX et la luminosité, les taux de radiation mesurés sont exprimés en termes de fluences de différents types de particules par unité de luminosité intégrée. Un écart significatif a été obtenu en comparant ces fluences avec celles prédites par GCALOR qui est l'une des simulations Monte Carlo du détecteur ATLAS. Par ailleurs, les mesures effectuées après l'arrêt des collisions proton-proton ont montré que les détecteurs ATLAS-MPX permettent d'observer la désintégration des isotopes radioactifs générés au cours des collisions. L'activation résiduelle des matériaux d'ATLAS peut être mesurée avec ces détecteurs grâce à un étalonnage en équivalent de dose ambiant.