CsI(Tl)闪烁探测器脉冲形状鉴别最优积分条件的探究方法

2023-10-13王凤兰孙晓慧李鹏程黄年伟刘佳丽刘顺菊刘丝雨吴茂盛池铭璇王建松

沈阳师范大学学报(自然科学版) 2023年3期

刘玲, 王凤兰,, 孙晓慧, 李鹏程,3, 黄年伟, 刘佳丽,刘顺菊, 刘丝雨, 吴茂盛, 池铭璇, 王建松

(1. 沈阳师范大学物理科学与技术学院, 沈阳 110034;2. 湖州师范学院理学院, 浙江湖州 313000; 3. 兰州大学核科学与技术学院, 兰州 730000)

CsI(Tl)闪烁探测器的发展已有百余年,其初期一直被用于电离辐射的探测。近年来,随着其性能的不断提升和优化,CsI(Tl)闪烁探测器被更加广泛应用于放射束物理实验中[1-4]。CsI(Tl)晶体的时间响应快、易加工储存、有较高的阻止本领和抗辐射能力,可用脉冲形状甄别技术甄别不同粒子,并且价格低廉,常用于中能重离子引起的核反应中带电粒子能量和位置的测量[5-6]。CsI(Tl)晶体产生的闪烁光包含上升和衰减2个部分,其衰减部分包含快、慢2种成分,闪烁光荧光光子经光电转换器件收集、转换、放大,在阳极输出电脉冲信号,此电脉冲信号为包含快、慢成分的脉冲波形[7]。脉冲波形分析[8-13]可实现粒子种类的鉴别,常见的粒子鉴别算法有波形拟合法、积分法[14]、模糊聚类算法[15-16]和矩阵算法。

在过去的实验中,应用较为成熟的粒子鉴别算法为积分法。对于包含快、慢2种成分的脉冲波形可以利用积分法鉴别粒子的种类,在脉冲波形上选取快、慢成分所对应的时间区间进行积分,得到快、慢成分的电荷量,通过画二维谱可以得到分布在不同曲线上的不同粒子,并实现粒子种类的区分。积分门的延迟和宽度的变化会得到不同的快、慢成分的电荷量,二维谱中的曲线的分布也会随之发生变化,所以积分门的延迟和宽度的选取对探测器的粒子鉴别能力有很大的影响[14]。

对于传统的VME数据获取系统,积分法鉴别粒子需要在实验时设定快、慢成分的电荷积分门,利用电荷积分插件QDC对闪烁体的脉冲波形实现快、慢成分的积分。这种方法对获取系统的数据传输能力和存储能力要求低,便于大规模通道实验,但是如果积分门和延迟时间选择不当,则有可能导致粒子鉴别效果不好,影响整个实验数据的质量。基于PXI的XIA获取系统可以将实验中真实的CsI(Tl)闪烁探测器输出的每个粒子的脉冲波形完整记录下来,利用数据处理软件ROOT分析,查看每个事件的脉冲波形,逐个事件处理数据,可剔除其中的异常波形,在每一个脉冲波形上设置快、慢成分的电荷积分门,编写程序调整电荷积分门的延迟时间和宽度,计算不同的积分门延迟和宽度下探测器的粒子鉴别效果。这种方法虽然对数据传输能力和存储能力要求较强,可以通过后期软件处理保证粒子鉴别的效果。高辉等已经在文献[14]中利用模拟数据讨论过不同电荷积分门延迟和宽度下的粒子鉴别效果,找到了最佳电荷积分门延迟和宽度的规律。本文旨在利用真实实验数据,给出粒子鉴别效果的判断方法,讨论不同积分门延迟和宽度下的粒子鉴别效果,探究该方法的可行性。

1 CsI(Tl)探测器的工作原理

CsI(Tl)晶体的光输出总量依赖于CsI本身的属性和Tl掺杂量,其产生的脉冲波形与入射粒子的能量、原子序数和质量数相关。不同的带电粒子在探测器中产生的闪烁光脉冲中快、慢成分的比例不同,所以得到的脉冲波形也有所差异[17]。脉冲波形中包含着带电粒子的A,Z等信息,可以应用脉冲波形分析的方法进行带电粒子种类的鉴别。

一定能量的带电粒子入射到CsI(Tl)晶体表面,激发形成平均电离密度为ρ的闪烁光脉冲由快、慢成分组成,t时刻的闪烁光脉冲形式可表示为

(1)

其中:Nf(ρ),Ns(ρ)分别为一次闪烁光脉冲中快、慢成分所包含的光子数;τf,τs分别表示快、慢成分的衰减时间;快、慢成分包含的光子数的比值Nf(ρ)/Ns(ρ)随ρ的增加而增加;τs基本与电离密度ρ无关;τf是电离密度ρ的函数[18]。

CsI(Tl)晶体形成的闪烁光荧光光子经光导被光电转换器件收集、转换、放大,在阳极输出电脉冲信号,图1所示为本次实验获得的一个典型的脉冲波形,衰减部分的快、慢2种发光成分分别用虚线和点划线表示。CsI(Tl)闪烁探测器的光输出与时间成指数关系,光输出的脉冲波形表达式如下:

图1 CsI(Tl)晶体的脉冲波形示意图Fig.1 Schematic diagram of pulse waveform of CsI (Tl) crystal

(2)

式中:第1项为脉冲波形衰减部分的快成分,称为fast;第2项为衰减部分的慢成分,称为tail;第3项是脉冲的上升部分;hfast,hslow和hfront是与电离密度相关的发光强度;τfast,τslow是衰减时间常数;τfront是信号的上升时间常数,一般为10～100 ns。因为具有很快的上升时间,而衰减的时间很长,因此,上升部分经常被忽略[14]。

2 实验设置及探测器布局

实验中使用8×8单元阵列CsI(Tl)闪烁探测器,整个探测器的前表面设计成球面状,由64块CsI(Tl)探测器单元构成。CsI(Tl)晶体单元加工成前表面为21 mm×21 mm、后表面为 23.1 mm×23.1 mm、高为50 mm的棱台,读出单元为日本滨松公司生产的R1213型光电倍增管PMT(photo multiplier tube),其光阴极为φ=19 mm的圆面。为了更好耦合晶体与PMT,用航天有机玻璃加工成光导连接CsI(Tl)晶体的后表面与PMT的光阴极。光电倍增管用铁筒屏蔽,晶体前表面用铝箔包裹,晶体侧面及光导用特氟龙膜包裹以增加光收集效率[19-20]。

本次实验是在兰州放射性束流线装置[21](RIBLL1)上开展的,RIBLL1的结构如图2所示。由HIRFL提供的58AMeV的13C束流,轰击RIBLL1中T0处的次级束流产生靶9Be得到前冲的6He粒子束流,4块二级铁设定磁刚度Bρ,经二级铁D1选择,穿过C1处的降能片,再经过二级铁D2的选择纯化进入靶室T1,穿过飞行时间起始探测器,再经过二级铁D3,D4的传输进入靶室T2,穿过飞行时间停止探测器,得到次级束流6He,与大圆靶室内的反应靶发生反应。初级束13C的平均流强为100 enA,初级靶为厚度6 mm的Be靶,降能器是厚度2 mm的Al,在T2处获得流强>3 000 pps、能量为30 AMeV的6He次级束流,纯度约为90%。相距17 m的T1与T2处的飞行时间探测器测量飞行时间(TOF),用于次级束流的逐个事件鉴别。

图2 兰州放射性束流线Fig.2 RIBLL 1

次级束射入真空大圆靶室内,靶室内探测器布局如图3所示,反应靶前放置2个双面硅微条探测器(DSSD),依次记为Si_1,Si_2,DSSD的正反面均有16条硅微条,用于测量与Pb靶反应前次级束带电粒子与硅微条作用的能量损失和径迹。靶后放置2个DSSD,记为Si_3,Si_4,其正反面均有32条硅微条,用于测量与Pb靶反应后粒子与硅微条作用的能量损失和径迹。最后放置1个8×8单元阵列CsI(Tl)闪烁探测器,用于测量反应后带电粒子的能量和位置。

图3 真空靶室内探测器布置示意图Fig.3 Layout diagram of detector in vacuum target room

真空靶室外放置7个BC501A液体闪烁体探测器,用于靶后中子的测量。

数据获取采用VME+基于PXI的XIA获取系统同步获取的方案,由VME获取trigger给XIA作为外部trigger, VME与XIA用同一脉冲发生器对齐。传统的VME获取系统直接将电信号经过成型后在ADC将脉冲波形的峰值读出,记录信号的幅度。基于PXI的XIA 获取系统可以直接处理前置放大信号并且直接获取信号波形,以提供更多更全面的信息。

在数据处理时,将VME获取的数据与XIA获取的数据组成新的数据文件。VME获取系统经ADC读出信号的峰值,记为CsI;XIA获取系统获取真实的脉冲波形,并利用ROOT找到脉冲波形的峰值,记为pkCsI。新文件中pkCsI和CsI为线性关系则说明事件同步匹配。

3 积分法

CsI(Tl)闪烁探测器输出包含带电粒子信息的脉冲波形,在脉冲波形上对快、慢成分设置fast gate和slow gate电荷积分门,对fast gate积分得到的是Qfast,对slow gate积分得到的是Qslow。做Qfast和Qslow二维谱,在Qfast和Qslow二维谱上不同的带电粒子分布在不同的曲线上,实现带电粒子的鉴别。积分门的延迟和宽度的变化会影响粒子的鉴别效果[14]。

CsI(Tl)晶体的光输出的脉冲波形可用式(2)描述,忽略掉上升时间的影响,可将式(2)简化为如下形式:

(3)

式中:τslow是常数,约为4～7 μs;τfast,hfast与hslow的比值(R)与粒子的种类(A,Z)和能量E有关,它们可用如下方程来表达[7]:

式(4)和式(5)中τ0,τ1,R0和d都是常数,由实验数据拟合而得到,而

q=AZ2

(6)

并且

(7)

由此知道hfast/hslow是关于E,A,Z的函数,也就是CsI(Tl)晶体光输出包含了粒子的能量E和种类(A,Z)的信息。对式(3)积分可得到总的光输出:

(8)

总的光输出有一个近似的公式[22]:

(9)

式中:a0,a1和a2为常数;由式(4)和式(8)可以确定hfast和hslow的值。对式(3)用不同的时间区间进行积分就可以得到Qfast和Qslow的值,在Qfast和Qslow二维谱上不同粒子分布在不同的曲线上,由此实现粒子的鉴别。式(9)是总的光输出与粒子能量及种类的关系,可以用来刻度不同粒子的不同光输出总量所对应的能量。

4 脉冲波形最优积分条件的研究

ROOT是一种面向对象的数据分析处理软件,是用C++编写的一种界面化的分析程序,它可以方便快捷地进行高能物理与核物理方面大数据量的分析和处理,其提供了柱状图、拟合工具、二维谱等常用的工具。ROOT平台能够兼容C++语言,用户可以根据自己的要求编写分析程序或再次开发。

本实验采用的基于PXI的XIA获取系统会记录下CsI(Tl)闪烁探测器输出的每个事件的脉冲波形,在ROOT环境下编写程序逐个事件分析脉冲波形,在脉冲波形上设置图1所示的快、慢成分的电荷积分门,做积分得到电荷量Qfast和Qslow,以Qfast为横坐标,Qslow为纵坐标,做Qfast-Qslow二维谱,不同的带电粒子分布在不同的曲线上,实现反应靶后带电粒子种类的鉴别。

次级束粒子的种类Bρ+(ΔE-TOF) 方法鉴别。次级束粒子在RIBLL1中经过二级铁时做圆弧运动,此时粒子所受的洛伦兹力提供向心力,即公式(10),其中ρ为圆弧轨道半径。

(10)

简化得公式(11):

(11)

粒子经T1到T2的飞行时间TOF与粒子的速度v的关系由公式(12)计算。

L=vt

(12)

实验时4块二级铁的磁刚度Bρ均设置为定值, 实验中T1到T2的距离L=17 m, 飞行时间TOF可测得, 由公式(12)确定速度v, 已知Bρ和速度v可确定粒子的质量和电荷的比值m/q。粒子在DSSD上的能量损失ΔE可鉴别粒子的电荷数Z。结合4块二级铁的磁刚度Bρ、探测器Si_1上次级束粒子的能损ΔE和粒子经T1至T2的飞行时间(TOF), 就可以鉴别粒子的质量数A和电荷数Z, 得到TOF-ΔE二维谱, 在TOF-ΔE二维谱上便可以鉴别靶前带电粒子的种类, 如图4所示。在TOF-ΔE二维谱上对每种粒子卡窗, 对于经过反应靶大部分未发生反应的粒子, 可与Qfast-Qslow二维谱上所鉴别的粒子种类进行比较[23],如图5所示。

图5 Qfast-Qslow二维谱Fig.5 Qfast-Qslow two-dimensional spectrum

因粒子与硅微条作用时存在沟道效应或打偏的情况,导致一条硅微条读出的能量值小,故在TOF-ΔE二维谱上6He可能与氚(t)落在同一区域,在卡窗选择t粒子时就包含这部分6He粒子,所以在Qfast-Qslow二维谱中出现t中包含着6He,比照6He正常位置可以认定图5中所示位置为t。

在Qfast-Qslow二维谱上定义一条过6He的直线Ax+By+C=0,选取t和部分6He,应用公式(13)求出所选中粒子到该直线的距离:

(13)

利用ROOT分析得图6所示的粒子距离分布的一维谱,对图6中的t和6He两峰高斯拟合,得到两峰的中心值d1,d2和表征峰的宽度的参数σ1和σ2。将拟合得到的两峰的中心值的差值与两峰表征宽度的参数之和的比值定义为R,即为公式(14),R值的大小可反映粒子鉴别效果,与品质因子定义类似。

图6 粒子距离分布一维谱

(14)

为验证这种鉴别方式的可行性,选定一个fast gate区间进行计算(以fast gate:0～50 ns为例)。计算过程中改变slow gate区间的延迟和宽度,得到不同slow gate积分门延迟和宽度下的R值。将计算得到的R值在图7中表现出来,可以看出,随着slow gate积分门的改变,R值的变化有一定的规律。结果表明,将slow gate积分门的起点选在峰值后+300 ns～+400 ns,终点选在峰值后+1 500 ns～+1 800 ns均可得到较优的鉴别效果。