暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星中子探測器的GEANT4模擬?

何 明 馬 濤常 進(jìn)張 巖黃永益藏京京伍 健董鐵礦

(1中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)南京210008)(2中國科學(xué)院暗物質(zhì)與空間天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南京210008)(3中國科學(xué)院大學(xué)北京100049)

暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星中子探測器的GEANT4模擬?

何 明1,2,3?馬 濤1,2常 進(jìn)1,2張 巖1,2黃永益1,2藏京京1,2伍 健1,2董鐵礦1,2

(1中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)南京210008)
(2中國科學(xué)院暗物質(zhì)與空間天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南京210008)
(3中國科學(xué)院大學(xué)北京100049)

近幾十年暗物質(zhì)研究已逐漸成為天文學(xué)研究的重要領(lǐng)域之一,相關(guān)理論研究和試驗(yàn)項(xiàng)目日新月異,中國的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星正是在此背景下提出的.由于暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星的探測對象涉及高能電子,為了減少其他帶電粒子(主要是質(zhì)子)被誤認(rèn)為是電子的事件率,必須采用適當(dāng)?shù)姆椒▍^(qū)分質(zhì)子和電子.實(shí)驗(yàn)表明高能質(zhì)子在BGO(鍺酸鉍)量能器內(nèi)發(fā)生的強(qiáng)子簇射與電子在BGO量能器內(nèi)發(fā)生的電磁簇射有明顯的區(qū)別,且強(qiáng)子簇射通常伴隨著大量的次級中子產(chǎn)生,通過測量BGO量能器底部出射的次級中子信號(hào)和入射粒子在BGO量能器中簇射的形狀可以有效區(qū)分入射到BGO量能器的粒子是質(zhì)子還是電子.介紹了暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星中子探測器的構(gòu)成以及探測原理,利用GEANT4軟件,模擬了特征能量的質(zhì)子和電子在中子探測器中產(chǎn)生的信號(hào),并且總結(jié)出了中子探測器在不同電子接收效率情況下的電子、質(zhì)子區(qū)分能力.

宇宙學(xué):暗物質(zhì),儀器:探測器,技術(shù):光測量

1 引言

近幾十年暗物質(zhì)研究已逐漸成為天文學(xué)研究的重要領(lǐng)域之一,相關(guān)理論研究和試驗(yàn)項(xiàng)目日新月異,我國的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星正是在此背景下提出的.暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)是:(1)通過在空間高分辨、寬波段觀測高能電子和伽瑪射線來尋找和研究暗物質(zhì)粒子,間接測定其質(zhì)量、湮滅截面或者是衰變壽命等重要的物理參量,并限定暗物質(zhì)粒子的空間分布;(2)通過觀測TeV以上的高能電子及原子核,力爭在宇宙射線起源方面取得突破;(3)通過觀測高能伽瑪射線,從而在伽瑪天文方面取得重要成果,并高精度檢驗(yàn)或發(fā)現(xiàn)量子引力效應(yīng)[1?2].

如圖1所示,暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星載荷自上而下依次為:塑閃陣列探測器、硅微條陣列探測器、BGO量能器、中子探測器.整個(gè)探測系統(tǒng)實(shí)際構(gòu)成了一個(gè)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng).頂部的塑料閃爍體探測器測量入射粒子是否帶電;硅微條探測器陣列測量入射粒子的徑跡; BGO閃爍體探測器是用來測量粒子簇射的形狀和沉積的總能量;最底部是中子探測器,則是用來測量粒子在量能器底部出射的低能中子信號(hào),輔助BGO量能器進(jìn)一步區(qū)分入射是質(zhì)子還是電子.

圖1 暗物質(zhì)探測器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of dark matter detector

2 探測方法與模擬

2.1 中子探測器探測原理

在原初宇宙線中,并沒有中子成分.因此這里的中子探測器的設(shè)計(jì)并不是為了探測原初宇宙線的中子,而是測量宇宙線中的強(qiáng)子(主要為質(zhì)子)與探測器物質(zhì)發(fā)生作用后產(chǎn)生的次級中子,從而進(jìn)一步區(qū)分入射粒子是質(zhì)子還是電子.

中子探測器由4塊獨(dú)立的塑閃爍體組成,閃爍體內(nèi)摻雜1%的10B,塑料是良好的中子慢化材料[3].低能中子與塑料中的氫原子發(fā)生彈性碰撞后,快速衰減能量,稱為慢化過程.在中子探測器中長時(shí)間慢化后,低能中子被慢化為熱中子,而后熱中子被中子探測器中的10B俘獲[4].由于熱中子與10B的中子俘獲反應(yīng)有很大的作用截面,發(fā)生核反應(yīng),見(1)式:

核反應(yīng)產(chǎn)生的α粒子會(huì)在中子探測器內(nèi)沉積較高的能量,并在塑閃爍體內(nèi)轉(zhuǎn)化成熒光光子,這些熒光被光電倍增管收集,經(jīng)過線性放大,形成電子學(xué)信號(hào),其信號(hào)強(qiáng)度與沉積的能量有良好的線性關(guān)系,因此通過測量電子學(xué)信號(hào)可以分析在中子探測器內(nèi)沉積的能量,從而分析入射到中子探測器內(nèi)的低能中子數(shù).

試驗(yàn)證明質(zhì)子的強(qiáng)子簇射中將產(chǎn)生大量的次級強(qiáng)子(其包含中子),而電磁簇射的次級粒子主要為電子和光子,少有中子,通常比質(zhì)子產(chǎn)生的中子數(shù)目低一個(gè)數(shù)量級.同時(shí)電子學(xué)為了屏蔽掉由高能電子產(chǎn)生的帶電粒子和伽瑪射線對中子探測的干擾,設(shè)置了延遲門控開關(guān).帶電粒子入射到量能器產(chǎn)生擊中信號(hào)幾微秒之后測量到的信號(hào)主要來自中子的俘獲反應(yīng),通過獲取中子探測器中的能量沉積,可以分析出中子的個(gè)數(shù)[5],從而進(jìn)一步利用模擬結(jié)果,分析入射到量能器的帶電粒子種類,再結(jié)合BGO量能器獲取的簇射形狀[6?7],可以將質(zhì)子與電子更為有效地區(qū)分開來.

中子探測器的性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求,中子探測器的壽命由探測器的元器件、材料以及工藝決定,探測器的壽命經(jīng)過可靠性設(shè)計(jì)和相關(guān)工程試驗(yàn)驗(yàn)證,滿足大于3 yr的實(shí)驗(yàn)要求.

2.2 GEANT4模擬與分析

2.2.1 GEANT4軟件簡介

GEANT4是由歐洲粒子研究組織(CERN)主導(dǎo)開發(fā)的基于C++面向?qū)ο蠹夹g(shù)的蒙特卡羅應(yīng)用軟件包,主要計(jì)算粒子在探測器介質(zhì)中的輸運(yùn)過程[8].許多大型物理實(shí)驗(yàn)都已采用GEANT4作為主要的物理模型模擬軟件之一,其結(jié)果與真實(shí)結(jié)果比對,表現(xiàn)出良好的一致性,從而得到了廣泛的認(rèn)可.

2.2.2 模擬中子探測器的方法分析

目前GEANT4的最新版本(10.0)已經(jīng)融合了大部分的中子反應(yīng)截面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和高能粒子物理模型包[9],其模擬的入射粒子能量上限可以達(dá)到100 TeV,而中子截面數(shù)據(jù)包也涵蓋了10B原子的熱中子俘獲反應(yīng)截面數(shù)據(jù)[10],可以正確地模擬暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星的BGO量能器和中子探測器.

2.3 中子探測器物理模型

2.3.1 模擬μ子在探測器內(nèi)的沉積能量

宇宙線穿過大氣時(shí)產(chǎn)生大量的次級粒子,其中μ子可以在實(shí)驗(yàn)室被探測到,因此通過模擬μ子在探測器內(nèi)能量沉積譜可以驗(yàn)證我們建立的探測器模型[11].圖2為模擬中子探測器被μ子擊中后產(chǎn)生的熒光光子在探測器內(nèi)的徑跡,探測器幾何模型和真實(shí)尺寸一致.

圖2 μ子入射中子探測器模擬Fig.2 Simulation of muon in neutron detector

GEANT4模擬所得的μ子能量沉積譜和熒光光子分布分別如圖3和圖4所示.

圖3 GEANT4模擬μ子在中子探測器中的能量沉積Fig.3 GEANT4 simulation of energy deposition of muon in neutron detector

圖4 GEANT4模擬熒光光子分布Fig.4 GEANT4 simulation of scintillation photon distribution

2.3.2 構(gòu)建電子學(xué)模型

通常認(rèn)為探測器中的光子信號(hào)經(jīng)過光電倍增管和放大器線性放大是理想條件下的,實(shí)際過程中,由于探測器內(nèi)產(chǎn)生的光子頻率有一定范圍的波動(dòng),光電倍增管對不同頻率的光子強(qiáng)度放大并不一致,且放大器的頻響也不是完美的,會(huì)有一定的漲落.通常單一能量事件經(jīng)過探測器電子學(xué)傳輸路徑后,得到的信號(hào)分布呈現(xiàn)高斯分布[12],因此電子學(xué)模型主要是通過模擬結(jié)果和實(shí)際測量結(jié)果對比建立.假設(shè)其模擬結(jié)果經(jīng)過一個(gè)高斯函數(shù)模型的卷積運(yùn)算能夠完美逼近實(shí)測信號(hào)輸出譜,實(shí)際標(biāo)定所得到的μ子信號(hào)輸出譜如圖5所示.

圖5 實(shí)測μ子譜Fig.5 The measured muon spectrum

通過設(shè)定不同參量的高斯函數(shù),將模擬結(jié)果經(jīng)過高斯函數(shù)卷積運(yùn)算與實(shí)測結(jié)果逼近,得到基于最小偏差的高斯函數(shù)的參量[13?14].最優(yōu)對比結(jié)果如圖6所示.

圖6 模擬結(jié)果經(jīng)高斯函數(shù)卷積運(yùn)算的結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比Fig.6 The simulation results with Gaussian function convolution compared with the measured results

圖6的下圖為最優(yōu)解情況下,模擬的μ子譜經(jīng)過高斯函數(shù)卷積運(yùn)算與實(shí)測的結(jié)果的絕對誤差,誤差最大處的值0.12,足夠說明兩曲線吻合得很好,同時(shí)證明了構(gòu)建的探測器模型可以用來進(jìn)一步模擬其他不同粒子.

2.3.3 模擬電子和質(zhì)子

由于平均而言,質(zhì)子在量能器中只沉積40%左右的總能量,并且,在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中,我們只對沉積能量相同的事例進(jìn)行比較,因此,我們選取了500 GeV的電子和1.5 TeV的質(zhì)子事件分別進(jìn)行了模擬,并選取在BGO量能器中沉積能量相同的事例.這些事例在中子探測器中產(chǎn)生的光子數(shù)可以得到光子分布,再利用2.3.2節(jié)所得電子學(xué)模型得到信號(hào)輸出譜,結(jié)果如圖7～8所示.

圖7 電子在中子探測器輸出譜Fig.7 Electron output signal from neutron detector

圖8 質(zhì)子在中子探測器輸出譜Fig.8 Proton output signal from neutron detector

3 數(shù)據(jù)分析

電子和質(zhì)子模擬的目的在于得出中子探測器對電子和質(zhì)子的區(qū)分能力,能夠有效區(qū)分電子和質(zhì)子是中子探測器的設(shè)計(jì)要求和初衷.由圖7和圖8對比可以看出,在BGO中沉積同樣能量的電子和質(zhì)子在中子探測器系統(tǒng)中得到的輸出譜明顯不同,現(xiàn)定義電子接收效率(Electron Acception)為:

同時(shí)定義中子探測器的質(zhì)子拒絕能力[15](Rejection Power)為:

由2.3.3節(jié)中模擬結(jié)果可以得出質(zhì)子拒絕能力和電子接收效率的關(guān)系,如圖9所示.

圖9 中子探測器質(zhì)子拒絕能力Fig.9 Rejection power of neutron detector

由得到的中子探測器質(zhì)子拒絕能力圖可以看出,中子探測器在電子接收效率為50%時(shí),質(zhì)子拒絕能力為56.因此可以說明中子探測器在滿足一定電子接收效率的前提下,可以有效地區(qū)分質(zhì)子和電子.

4 結(jié)論

探測宇宙高能電子是一件很困難的事情,區(qū)分電子和宇宙線本底(主要是質(zhì)子和氦核)需要特殊的探測器技術(shù)[16].中子探測器就是為了區(qū)分高能質(zhì)子和電子而設(shè)計(jì)的.本文利用GEANT4模擬中子探測器μ子的沉積能譜和熒光光子分布,并結(jié)合實(shí)測結(jié)果驗(yàn)證了物理模型和電子學(xué)模型.而后利用模擬驗(yàn)證的物理模型和電子學(xué)模型進(jìn)一步模擬高能電子和質(zhì)子.由電子和質(zhì)子的模擬結(jié)果表明中子探測器在電子接收效率為50%時(shí),質(zhì)子拒絕能力為56.足可說明中子探測器在滿足一定電子接收效率的前提下利用中子探測器的信號(hào)可以良好地區(qū)分高能質(zhì)子和電子.

[1]蔡明生,郭建華,謝明剛,等.天文學(xué)報(bào),2013,54:467

[2]Cai M S,Guo J H,Xie M G,et al.ChA&A,2014,38:200

[3]常樂,劉龍祥,王宏偉,等.核技術(shù),2015,38:50403

[4]Reiter A J H.Di ff erential Photoneutron Cross Sections of Light Nuclei for Neutron Dosimetry.Glasgow:University of Glasgow,2004

[5]張國慶,李鵬波,李長園,等.核技術(shù),2015,38:10501

[6]郭建華,蔡明生,胡一鳴,等.天文學(xué)報(bào),2012,53:72

[7]Guo J H,Cai M S,Hu Y M,et al.ChA&A,2012,36:318

[8]杜龍.基于6Li中子探測器的蒙特卡洛模擬及實(shí)驗(yàn)測量.上海:中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所,2014

[9]岳珂,徐瑚珊,梁晉潔,等.原子核物理評論,2010,27:445

[10]吳沖,張強(qiáng),孫志嘉,等.原子核物理評論,2012,29:173

[11]Wolverton M.SciAm,2007,297:26

[12]謝一岡,陳昌,王曼,等.粒子探測器與數(shù)據(jù)獲取.北京:科學(xué)出版社,2003

[13]張磊,郭建華,張永強(qiáng).天文學(xué)報(bào),2014,55:522

[14]Zhang L,Guo J H,Zhang Y Q.ChA&A,2015,39:380

[15]Drake D M,Feldman W C,Hurlbut C.NIMPR,1986,247:576

[16]常進(jìn).工程研究—跨學(xué)科視野中的工程,2010,2:95

GEANT4 Simulation of Neutron Detector for DAMPE

HE Ming1,2,3MA Tao1,2CHANG Jin1,2ZHANG Yan1,2HUANG Yong-yi1,2ZANG Jing-jing1,2WU Jian1,2DONG Tie-kuang1,2
(1 Purple Mountain Observatory,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008)
(2 Key Laboratory of Dark Matter and Space Astronomy,Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008)
(3 University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049)

During recent tens of years dark matter has gradually become a hot topic in astronomical research field,and related theory researches and experiment projects change with each passing day.The Dark Matter Particle Explorer(DAMPE)of our country is proposed under this background.As the probing object involves high energy electrons,appropriate methods must be taken to distinguish them from protons in order to reduce the event probability of other charged particles(e.g.a proton)being mistaken as electrons.The experiments show that,the hadronic shower of high energy proton in BGO electromagnetic calorimeter,which is usually accompanied by the emitting of large number of secondary neutrons,is signi ficantly di ff erent from the electromagnetic shower of high energy electron.Through the detection of secondary neutron signal emitting from the bottom of BGO electromagnetic calorimeter and the shower shape of incident particles in BGO electromagnetic calorimeter,we can effectively distinguish whether the incident particles are high energy protons or electrons.This paper introduces the structure and detecting principle of DAMPE neutron detector.We use Monte-Carlo method with GEANT4 software to simulate the signal emitting from protons and electrons at characteristic energy in the neutron detector,and finally summarize the neutron detector’s ability to distinguish protons and electrons under di ff erent electron acception efficiencies.

cosmology:dark matter,instrumentation:detector,techniques:photometric

P171;

:A

10.15940/j.cnki.0001-5245.2016.01.001

2015-04-30收到原稿,2015-07-13收到修改稿

?國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11303105、11303107、11203090)資助

?heming@pmo.ac.cn