批量塑闪单元条测试技术的研究

张永杰 余玉洪 周勇,3 孙志宇 方芳,4 陈俊岭 刘杰



批量塑闪单元条测试技术的研究

张永杰1,2余玉洪1周勇1,3孙志宇1方芳1,4陈俊岭1刘杰1

1（中国科学院近代物理研究所 兰州 730000）;2（西北师范大学 兰州 730070）;3（中国科学院大学 北京 100049）;4（中国科学技术大学 合肥 230022）

寻找暗物质粒子是目前最有影响力的前沿课题之一，广泛受到世界各国重视。我国启动了暗物质粒子探测卫星(Dark Matter Particles Explorer, DAMPE)先导专项，致力研究这一科学问题。暗物质粒子探测卫星有效载荷由塑闪阵列探测器(Plastic Scintillator Detector Array, PSD)、硅阵列探测器、BGO (Bi2O3-GeO2)量能器以及中子探测器组成，用于探测5 GeV−10 TeV高能电子、γ及重离子能谱。中国科学院近代物理研究所承担了塑闪阵列探测器的研制工作，塑闪阵列探测器由82根塑闪单元模块采用横竖交叉结构组成，主要协助BGO量能器区分γ事件和电子事件，并作为硅阵列探测器的备份，探测=1−20的重离子事件。由于塑闪单元条模块存在较大的差异，所以搭建了一套具有较高测试效率的塑闪单元条批量测试平台，并对塑闪单元条进行宇宙线测试，得到其基本性能参数，如光衰减曲线、光衰减长度、相对光产额、能量分辨率以及探测效率。这为后续筛选出一致性较好并能满足功能需求的82根单元条提供了依据。

塑料闪烁体，衰减长度，相对光产额，探测效率

暗物质研究作为21世纪最有影响力的科学前沿课题之一，广泛受到各国重视，各国投入大量人力、物力和财力集中研究这一课题。空间间接探测法是暗物质粒子探测及属性研究最为主要的方法之一。根据当前的物理理论模型，暗物质粒子经过衰变或者相互作用后产生稳定的高能粒子，通过对这些粒子的能谱进行精确的测量，有可能揭开暗物质的踪迹之谜。为在空间探测暗物质粒子方面取得突破，中国科学院启动了暗物质粒子探测卫星的研制。暗物质粒子探测卫星为单一有效载荷卫星，其有效载荷由塑闪阵列探测器(Plastic Scintillator Detector Array, PSD)、硅阵列探测器、BGO (Bi2O3-GeO2)量能器及中子探测器组成，主要目标是通过探测5GeV−10 TeV的高能电子、高能γ等宇宙射线的能谱来寻找暗物质粒子并研究其属性问题，同时通过对宇宙射线中重离子能谱的分析，研究宇宙线传播和加速机制[1−2]。

中国科学院近代物理研究所承担了其中塑闪阵列探测器的研制工作，其主要功能是用于协助BGO量能器区分入射高能电子和γ事件以及用于区别=1−20的重离子。为满足上述功能需求，要求探测器能够在具有较大的动态范围的同时，对带电粒子有高的探测效率和较好的能量分辨能力。由于整个探测器采用了横竖交叉互为垂直的单元模块化设计，并由82个独立单元组成，因此要求每一个单元都能满足如上功能需求。

其中，每个单元又主要由读出器件光电倍增管和探测器介质有机塑料闪烁体条组成。塑料闪烁体材料的型号为EJ-200，它由美国ELJEN公司负责生产，具有强的抗辐照特性、快的时间响应、长的衰减长度、光输出高及易于加工等特性，因此被广泛应用于空间探测项目，如AMS (Alpha Magnetic Spectrometer)、PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics)等。由于生产及加工工艺的条件不可能控制到完全相同，导致不同批次生产的单元条或同批次间加工的单元条性能上存在个体差异，具体表现在光衰减长度、光产额及粒子响应特性等参数数值不同，甚至有较大的差异，这就要求搭建测试平台对批量塑料闪烁体条进行测试，选择出一致性较好并满足性能指标要求的单元条。

较为理想的测试方法是利用加速器提供的高能质子或电子束作为射线源对单元条进行测试，但受限于实际条件，该方案不太可能实现。一种替代的方法是利用天然的宇宙线作为测试的射线源。在海平面上，宇宙线射线的主要成分为子，它是宇宙线原初粒子与大气原子核相互作用后产生的次级介子衰变后的产物，具有寿命长、穿透能力强且速度接近光速等特性。在海平面上子的平均能量为3−4GeV[3]，兰州海拔为1500 m，粗略认为子的平均能量稍高于在海平面能量，由于最小电离能区宽，到达兰州的子仍被认为是最小电离粒子，当子垂直通过1 cm厚的塑闪单元条时，其沉积的能量约为2 MeV。利用宇宙射线作为射线源的缺点是单位时间内单位面积的事例数很少致使测试效率低下（在海平面，垂直入射的宇宙射线强度约为0.8×10−2cm−2·s−1），如果每次只能对单根塑闪单元条单个击中位置进行测试的话，需要耗费大量的研制时间致使研制进度无法满足，因此迫切需要搭建一套操作方便、测试效率较高并具有批量测试能力，同时又能对光衰减长度、光输出均匀性、最小电离粒子(Minimum Ionizing Particle, MIPs)的探测效率及MIPs的电荷测量分辨能力等测试项目进行测试的多功能需求测试平台。

1 塑闪单元条批量测试平台的搭建

如图1所示，整个塑闪单元条测试平台由探测器单元条模块、前端读出电子学(Front End Electronics, FEE)和上位机数据获取系统(Data Acquisition, DAQ)及数据分析等组成，这与之前的塑闪测试平台[4]不同之处主要在于测试目标、被测塑闪单元条尺寸、输出信号通道数量以及电子学探测器单元条模块部分（包括了两种不同尺寸类型的单元条）。一种是尺寸为884 mm×28 mm×10 mm的被测单元条模块，共有24个，分别放置在上、中、下层，各层间距5 cm，同一层相邻的单元条之间紧密排布，不同层之间的单元条互相平行且整体之间没有错位偏离；另一种是尺寸为34 mm×2 mm× 1mm触发探测器单元条模块，共有5组，每组由上下两个互相平行的单元条模块构成，5组触发探测器沿被测塑闪单元条中间位置起0 cm、±17 cm、±34cm的位置处放置，并与之保持垂直，它的功能主要是用于定位宇宙射线的击中位置。

图1 塑闪单元条测试平台示意图

被测塑闪单元条模块与触发探测器单元模块反射包装材料均采用美国杜邦公司的Tyvek1056D，该材料相对于Tyvek其他类型包装材料能够明显提升相对光产额[5]，外部进一步使用黑色热缩管包裹，起到约束光传输和避光作用。被测塑闪单元条模块与触发探测器单元模块都采用了双端读出方式，直接使用美国ELJEN公司生产的EJ-550硅脂耦合日本滨松公司生产的R4443MOD2光电倍增管，与塑闪阵列探测器采用的光电倍增管型号一致，使测试条件更接近实际情况。被测塑闪单元条模块两端的光电倍增管输出第8打拿极信号，触发探测器不仅输出第8打拿极信号，还输出了阳极信号。当MIPs击中塑闪单元条时，传输到光电倍增管光阴极的闪烁光经光电效应转换、倍增后，经由打拿极输出，送入前端电子学，经过前置放大器、成形、采样保持及模数变换等电路后送入获取系统，经由上位机储存和分析。而触发探测器输出的另外一路阳极信号则被送入传统的NIM插件，经由美国ORTEC公司生产的定时恒分甄别器CF8000甄别成逻辑信号，每组的逻辑信号互相之间作符合运算，输出的符合信号再与其余4组符合运算结果作或逻辑，最终得到的逻辑信号作为数据获取系统的触发信号。

此外，对平台所用的光电倍增管进行相对增益测量，得到其增益随高压的变化数据，据此给不同光电倍增管设置不同高压得到较为一致的增益，既保证每组触发探测器的触发率较为接近，又使被测塑闪单元条双端读出的信号幅度有可对比性。为方便探测器单元条模块的固定与定位，专门设计了探测器支架。利用该支架，可以实现击中位置和入射角度的调整，同时，在外围加上一个避光罩可以实现良好的避光作用。批量测试平台每轮测试至少需要24 h，保证每根被测单元条的每个击中点的有效事例数达到1300个以上，使统计误差控制在3%以内。

2 测试结果与讨论

2.1 技术光衰减长度

有机闪烁体用于高能粒子和宇宙射线探测时，入射粒子会损失一部分能量，致使在粒子穿过路径附近的分子电离、激发或离解，其中一部分激发能以不发光的方式散失掉，另一部分则通过产生荧光的形式实现退激发。荧光在闪烁体内部传输时，会因为荧光自吸收、散射及表面反射等因素按负指数的规律逐渐衰减。在实际应用中，常用“技术光衰减长度”来衡量闪烁体自身透光性的好坏。定义为损失到初始荧光量1/e时所经过的长度，它与闪烁体单元条自身的尺寸、几何形状、表面抛光和包裹的反射材料等都有关系，是反映有机塑料闪烁体性能的一个重要参数。越大，闪烁光衰减越小，传输到单元条读出端面的荧光数目就越多，通常希望该值越大越好。

通常有机闪烁体发出的闪烁光具有短波和长波两种成分。对于狭长尺寸的闪烁体，短波成分由于发射光谱和吸收光谱几近重叠而极易在单元条中传输时吸收掉，可以近似认为传输到单元条读出端面的都是长波这一种成分，可以用式(1)描述闪烁光在狭长单元条中的传输规律[6]：

式中，0为带电粒子射线击到闪烁体某一点后产生的荧光光子数；()为距击中点为的荧光光子数；为技术光衰减长度。它可以用脉冲幅度法测量，即通过改变入射粒子在塑闪单元条中的击中位置，并在单元条同一读出端面利用光电倍增管测量其信号脉冲的幅度。

通过我们搭建的塑闪单元条测试平台，可以同时测量5个不同击中位置的脉冲幅度信号，这样做的优点是可以消除外部环境温度改变带来的塑料闪烁体发光效率不同，即消除温度效应对光产额的影响。图2给出了不同击中位置的脉冲幅度谱图，其最可几峰值(Most Probable Value,)可以由朗道分布函数与高斯分布函数的卷积拟合得到[7]。通过分析得到的拟合分析结果，可以得到不同击中位置的能量分辨率。从已得到的所有被测单元条5个不同击中位置的结果得知其能量分辨率均好于20%。

图2 宇宙线击中塑闪单元条中心位置处左端PMT读出的信号（实线）和宇宙线击中距塑闪单元条左端10 cm处左端PMT读出的信号（点线）(a)，塑闪单元条中间位置的能量分辨率(b)

图3给出了最可几幅度值与击中位置的关系。从图3中可以看出，单元条不同击中位置间的幅度值与位置的关系曲线是单调平滑的，这可以作为判断包装工艺好坏的一个判据。通过分析击中位置的幅度值与拟合曲线的数值关系，可以剔除包装不好的单元条。此外左右两端光电倍增管所测得的技术光衰减长度数值稍有差异，导致的原因是大面积的塑闪材料在生产时不可能完全做到发光物质在闪烁体内部绝对均匀的掺杂。因此，在测试过程中，如果数据分析时发现两端测量的技术光衰减长度相差很大，也将予以剔除。

在实际的选用过程中，除了要求所测得的技术光衰减长度与位置的关系曲线要单调平滑和双端的数值不能有较大差异外，还需确定一个范围，即技术光衰减长度的数值不能小于该值。对于塑闪阵列探测器，当宇宙射线中的子穿过1 cm厚的塑闪单元条时，沉积的能量约为1MIP，由于单元条是狭长形的，两端读出的光倍管距离较远，当子在击中单元条一端时，考虑到前端电子学的灵敏度，希望远端光倍管输入的信号幅度至少大于0.3MIP能量沉积产生的等效信号大小。根据式(1)，可以计算得到所要求的技术光衰减长度至少要大于0.83，其中为单元条的长度。对185根塑闪单元条进行了批量测试，最终选择出了满足技术光衰减长度判据的163根单元条。由图4(a)，斜线直方图表示185根单元条，点斜相交部分表示163根单元条；由图4(b)，斜线直方图表示185根单元条，点斜相交分布表示153根单元条。

图3 MPV值与宇宙线击中位置关系图

图4 衰减长度(a)和均匀性分布图(b)

此外，还可通过分析不同击中位置的相对光产额，分析单元条的均匀性。相对光产额定义为[5]，其中L为子击中单元条某一位置时左端光电倍增管(Photomultiplier Tube, PMT)信号的脉冲幅度大小，R则为右端PMT的信号脉冲幅度大小。比较对称的两个击中位置相对光产额差值与中间位置相对光产额的比值，可以衡量被测单元条自身的均匀性，根据物理设计要求，该比值小于5%。通过批量数据，选择出满足该判据的156根单元条。

2.2 探测效率

塑闪阵列探测器的主要功能之一是作为反符合探测器，这就要求塑闪单元条对高能带电粒子有较高的探测效率，从而避免将高能电子事例误判为高能伽玛事例。根据有效载荷物理总体的技术要求，单根塑料闪烁体单元条的探测效率要大于95%。由于高能电子在塑闪单元条中的主要能损为电离能量损失，与宇宙射线中的子能损方式及大小相当，在没有高能电子束的条件下，可以利用子替代高能电子束对单元条的探测效率进行测试。

对塑料闪烁体单元条探测效率传统的测试方法是在塑料闪烁体单元条上下各放置一个小闪烁体探测器（小闪烁体探测器的面积要足够小），这样可以保证入射粒子穿过上下两个小闪烁体探测器时，必然穿过被测塑闪单元条，通过小闪烁体和单元条的三重符合计数和小闪烁体的二重符合计数之比，即可得到某一击中位置的探测效率。要得到不同击中位置的探测效率，通过移动两个小闪烁体的位置即可实现。利用图1搭建的测试平台，每组触发探测器的宽度仅为2 cm，远小于被测塑闪单元条的长度，而与单元条垂直方向触发探测器的长度为34cm，则远大于塑闪单元条的宽度。这样导致在进行离线数据分析时，如果仅用击中每组的触发探测器作为入射子的总计数，单元条与每组触发探测器的符合计数作为实际观测到的入射子数，所计算得到的探测效率不是真实的探测效率，原因是在几何空间上穿过触发探测器的子并没有穿过被测单元条。

如图5所示，斜入射事件2在几何空间上穿过触发探测器时并不一定穿过被测单元条。为得到塑闪单元条真实的探测效率，在几何空间上要保证入射子在经过触发探测器的同时必然经过被测塑闪单元条，这就要求离线分析时筛选出垂直入射子事件作为总入射粒子计数。首先按图5所示，将三层共计24根塑闪单元条进行编号。从图5中可以看出，第二层塑闪单元条上下有相互平行相同尺寸大小的塑闪单元条并且没有错位偏移，利用上下塑闪条对宇宙射线进行卡窗，可以保证所选择的宇宙线是垂直入射的。第二层塑闪单元条探测效率公式为：

式中，S为第二层某一塑闪单元条；S−8和S+8分别为S上下互相平行对应的塑闪条。分母代表宇宙线入射事件总计数，分子代表第根塑闪单元条探测到的有效事件计数。

图5 反符合方法测试探测效率示意图

Fig.5 Layout of measuring detection efficiency with anticoincidence method.

对于第一层和第三层的单元条，在空间排布上具有很好的对称性，这意味着该两层的单元条的探测效率计算方法是一致的，以图5中所示第3根单元条探测效率的计算为例，仅靠触发探测器、11根和19根塑闪单元条对宇宙线进行卡窗并不能完全保证宇宙线是垂直入射的，图5中事件2在穿过触发探测器、11根和19根单元条时并没有穿过3根塑闪单元条。因此如果仅使用式(2)的卡窗条件计算3根单元条的探测效率，由于没有办法完全排除斜入射事件，致使式(2)中的分母增大，所计算得到的第一层和第三层的塑闪单元条的探测效率比真实探测效率偏小。因此需要重新考虑选择合适的卡窗条件，拟增加3根单元条附近的单元条进行反符合选择，使斜入射事件得到充分排除，确保入射事件为垂直入射事件，这样第一层塑闪的探测效率的计算公式可改写为：

其中，!anticoin为各反符合项乘积，其具体表达式为：

对于第一层边上的两根单元条，即第1根和第8根塑闪单元条不适合使用式(3)计算探测效率，原因是第1根单元条的左侧和第8根单元条的右侧没有相应的塑闪单元条可以利用进行对斜入射事件的排除。因此，式(3)仅适用于第2−7根塑闪单元条探测效率的计算。由于对称性，第三层塑闪单元条探测效率计算方法同第一层单元条相同，当然，两侧边上的两根单元条的探测效率也无法通过式(3)计算得到。

应用式(2)和(3)对平台24根塑闪单元条的探测效率进行计算得到如图6所示的结果。结果显示排在第二层第9−16根塑闪单元条5个不同触发位置的探测效率都很高，有的单元条探测效率达到100%，说明利用式(2)计算第二层塑闪探测效率时，基本能保证入射子事件是垂直入射的。排在第一层第2−7根和第三层第18−23根单元条探测效率均在95%−98%，这些单元条的探测效率整体上比第二层偏低。其原因是在测试平台安装塑闪单元条的实际过程中，由于两端耦合读出光电倍增管的分压电路外部屏蔽盒的尺寸比被测单元条的宽度大，致使相邻的单元条之间存在2 mm的缝隙，造成了探测死区，即不能靠两侧单元条的反符合完全消除斜入射事件，造成这些单元条计算得到的探测效率比真实探测效率小，但所得到的计算结果仍满足总体给出的技术要求。此外，第一层和第三层最外侧的4根单元条由于只有一侧有相邻的单元条，而总的触发探测器的长度要比一层内8根单元条的总宽度宽，致使单元条另一侧入射的斜入射事件无法排除，使用式(3)计算探测效率时得到的探测效率值低，对该值不予采用，在下一轮测试中可以将这4根单元条放置在其余位置，进行第二轮重新测试，得到其探测效率。

图6 测试平台各个测试通道的塑闪单元条探测效率

3 结语

在实验室成功搭建了一套塑闪单元条批量测试平台，大幅度提高了测试效率。利用该测试平台，可以同时得到20根塑闪单元条的技术光衰减曲线及长度、探测效率、能量分辨率和相对光产额等性能参数，并挑选出了满足塑闪阵列探测器最终需求的塑闪单元条。这为后续的整个探测器系统下一步研制工作提供了可靠的科学数据，并保证了整个研制计划按节点顺利进行。

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7 Pernegger H, Markus Friedl. Langaus C: convoluted landau and gaussian fitting function[EB/OL]. http://root.cern.ch/root/html534/tutorials/fit/langaus.C.html, 2014-08-20

Development of a test bench for plastic scintillator counters for the DAMPE

ZHANG Yongjie1,2YU Yuhong1ZHOU Yong1,3SUN Zhiyu1FANG Fang1,4CHEN Junling1LIU Jie1

1(Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China);2(Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China);3(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China);4(University of Science & Technology of China, Hefei 230022, China)

Background: Plastic scintillator detector array (PSD), developed by Institute of Modern Physics,Chinese Academy of Sciences (IMPCAS), is one of the most important parts in the payload of Dark Matter Particles Explorer (DAMPE) which is mainly used for the study of dark matter. As an anti-coincidence detector, and a charged-particle identification detector, the PSD is composed by 82 plastic scintillator counters.Purpose: Due to the difference among a batch of scintillator counters, it is necessary to develop a test bench with high test efficiency and also to obtain their performance, such as uniformity of light output, light attenuation length, peak of Minimum Ionizing Particle (MIPs) and detection efficiency simultaneously. Methods: A high-efficiency test bench, including electronic modules, data acquisition, analysis system,, has been constructed to study the characteristics of 24 scintillator counters with cosmic rays. Individual trigger module with dimensions of 34 cm×2 cm×1 cm has been set up at different points of ±34 cm, ±17 cm and 0 cm. With this test bench, the light attenuation length and other main parameters of 20 counters have been investigated. Results and Conclusion: Through the high-efficiency test bench, data of 20 scintillator counters could be obtained simultaneously. After analysis of 185 counters’ data, we can select 82 counters which fulfill all technology parameters provided by DAMPE and use in PSD.

Plastic scintillator counter, Attenuation length, Relative light yield, Detection efficiency

TL812+.1

TL812+.1

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.080403

中国科学院战略性先导专项暗物质粒子探测卫星塑闪阵列探测器子课题(No.XDA04040202-3)资助

张永杰，男，1988年出生，现为中国科学院近代物理研究所与西北师范大学联合培养硕士研究生，从事核探测器研究

余玉洪，E-mail: yuyuhong@impcas.ac.cn

2015-03-03，

2015-05-08