對(duì)CsIT1晶體探測器傳統(tǒng)的能量校準(zhǔn)方法局限性的研究

粟春梅

摘 ?要：文章介紹了CsI（T1）晶體探測器能量刻度的傳統(tǒng)方法，并對(duì)其局限性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)大角度范圍內(nèi)的CsI（T1）晶體無法探測到的粒子或是只能探測到某個(gè)或某幾個(gè)產(chǎn)額較高的粒子時(shí)，傳統(tǒng)方法無法實(shí)現(xiàn)對(duì)所有粒子進(jìn)行能量刻度。因此文章的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)開創(chuàng)一種新的刻度CsI（T1）晶體探測器能量的方法起到了推動(dòng)和促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：CsI（T1）晶體探測器;能量刻度;局限性

中圖分類號(hào)：TL814 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）02-0121-02

Abstract： This paper introduces the traditional method of energy calibration of CsI（T1） crystal detector， and studies its limitations. It is found that particles that cannot be detected by CsI（T1） crystals in a large angle range can only detect one， or a few high-yielding particles， the traditional method cannot achieve energy calibration of all particles. Therefore， the research in this paper has important practical significance， and it has promoted a new method for calibrating the energy of CsI（T1） crystal detectors.

Keywords： CsI （T1） crystal detector; energy calibration; limitation

引言

CsI（T1）晶體探測器是檢測帶電粒子的重要儀器[1]。它的優(yōu)點(diǎn)有效率高、可塑性強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度大，耐較高溫、對(duì)重帶電粒子阻止本領(lǐng)高[2]等優(yōu)點(diǎn)，因此它被廣泛應(yīng)用于能量范圍為10-100MeV/u的重離子核反應(yīng)的放射性核物理實(shí)驗(yàn)中[3]。在這些應(yīng)用中，CsI（T1）閃爍晶體用于檢測粒子的沉積能量E，計(jì)算該能量需要對(duì)能量進(jìn)行刻度，這是不可或缺的步驟。但是CsI（T1）的光輸出L與能量E的關(guān)系復(fù)雜，不僅與粒子的質(zhì)量數(shù)A有關(guān)，還與核電荷數(shù)Z有關(guān)，并且是一個(gè)非線性函數(shù)[4]，因此其能量刻度比較復(fù)雜。而CsI（T1）晶體探測器在核物理實(shí)驗(yàn)中被廣泛應(yīng)用，因此其標(biāo)定問題受到了人們的關(guān)注。經(jīng)過大量核物理實(shí)驗(yàn)的研究，多數(shù)情況會(huì)用到的或者普遍使用的CsI（T1）晶體探測器能量的刻度方法基本形成，但在具體實(shí)驗(yàn)中會(huì)發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)方法會(huì)存在一定的局限性，本文將對(duì)此進(jìn)行說明。

1 探測器的結(jié)構(gòu)

在具體實(shí)驗(yàn)中，用到的靶后粒子鑒別裝置是△E-E探測器系統(tǒng)，該系統(tǒng)由雙面Si微條探測器和CsI（Tl）陣列探測器組成。本文用到的CsI（Tl）陣列探測器是由8×8單元塊的CsI（Tl）晶體組成。[5]每一個(gè)探測器單元都由CsI（Tl）晶體，光電倍增管兩部分構(gòu)成。CsI（T1）晶體由中國近代物理研究所生產(chǎn)，前表面為21mm×21mm、后表面為23.1mm×23.1mm。晶體的每個(gè)單元信號(hào)都可由光電倍增管單獨(dú)讀出。光電倍增管由Hamamamtsu公司制造，型號(hào)為R1213。從閃爍體出來的光子通過光導(dǎo)射向光電倍增管的光陰極，打出光電子，光電子經(jīng)電子光學(xué)系統(tǒng)輸入加速系統(tǒng)、聚焦后射向第一“打拿極”。每個(gè)光電子經(jīng)過打拿極都會(huì)擊出幾個(gè)電子，這些電子再經(jīng)過第二個(gè)打拿極，經(jīng)過倍增射向第三打拿極，就這樣一直下去，直到最后一個(gè)打拿極。如圖1所示，因此最后射向陽極的電子達(dá)到最多，最終轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出。[2]

2 傳統(tǒng)的能量刻度方法及其局限性

CsI（T1）晶體探測器的能量刻度問題深受關(guān)注，但其刻度存在著很大的困難。主要是CsI（T1）晶體探測器的光輸出與能量滿足一個(gè)非線性的關(guān)系[6，7]，如式（1）。

式中A為原子核的質(zhì)量數(shù)，Z為原子核電荷數(shù)，a0，a1，a2是需要確定的系數(shù)。一般的刻度方法是用實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行在線刻度。該方法在大部分情況下可以獲得較好的擬合效果。但對(duì)于大角度的探測單元的能量刻度存在一定問題。由于有較多統(tǒng)計(jì)量的探測單元集中在零角度范圍內(nèi)，大角度探測單元很容易出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)量不夠的情況。為了進(jìn)行大角度探測單元的能量刻度，一般也會(huì)采取磁場偏轉(zhuǎn)束流或?qū)λ鶞y量束流進(jìn)行散焦擴(kuò)大束流的發(fā)散面積來對(duì)其進(jìn)行能量刻度。但這種方法也會(huì)存在一些弊端：該方法一般只能對(duì)有限角度內(nèi)的探測單元進(jìn)行能量刻度;同時(shí)傳輸?shù)酱渭?jí)靶后的束流只有有限的幾種核素，大角度的探測單元也很難獲得更多的計(jì)數(shù)。由于這些困難，多數(shù)情況只采用靠近中間附近的探測單元的數(shù)據(jù)，大角度數(shù)據(jù)很多情況都是浪費(fèi)了，非?？上?。

結(jié)合9Li的碎裂反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的刻度方法要求在ΔE-Ch二維譜上挑選出清晰的帶子，然后與計(jì)算得到的ΔE-E譜進(jìn)行比對(duì)，從而得到對(duì)應(yīng)于同一ΔE值實(shí)驗(yàn)得到的道數(shù)與計(jì)算得到的對(duì)應(yīng)能量進(jìn)而獲得相應(yīng)的擬合點(diǎn)。由于實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)方法等的多重影響，在大多數(shù)試驗(yàn)中，并不能在64塊CsI晶體上都能獲得較為清晰的ΔE-Ch二維譜，更多的情況是處于中間位置的CsI晶體可以看到清晰的帶子，如圖2所示。大角度范圍內(nèi)的CsI晶體無法探測到粒子或是只能探測到某個(gè)或某幾個(gè)產(chǎn)額較高的粒子。因此在這種情況下上述方法就無法對(duì)CsI晶體刻度，然而要對(duì)能檢測到的所有粒子進(jìn)行刻度更是無計(jì)于施。

3 結(jié)束語

本文結(jié)合具體的核物理實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)處理存在的問題，通過對(duì)CsI（T1）晶體探測器的能量刻度傳統(tǒng)方法的局限性研究，知道了傳統(tǒng)的刻度方法可以解決大多數(shù)情況的刻度問題，然而對(duì)大角度范圍內(nèi)統(tǒng)計(jì)不足的情況還是很難刻度或者不能刻度，但是大角度范圍內(nèi)獲取的數(shù)據(jù)對(duì)核物理實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理又具有重要意義。因此急需一種新的方法可以針對(duì)于大角度探測單元統(tǒng)計(jì)量不足的情況下仍然可以對(duì)CsI（T1）晶體探測器的探測單元進(jìn)行能量刻度。因此在未來工作中，我們旨在尋找一種新的刻度方法，可以針對(duì)傳統(tǒng)方法的局限性，做到能對(duì)統(tǒng)計(jì)量不夠的情況進(jìn)行刻度，避免實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的浪費(fèi)，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理更具完整性與說服力。

參考文獻(xiàn)：

[1]Qiao， R， Ye， YL，Wang， J et al.，A New Uniform CalibrationMethod for Double-Sided Silicon Strip Detectors， IEEE Trans. Nucl. Sci， 61（2014）596-601.

[2]復(fù)旦大學(xué)，等.原子核物理實(shí)驗(yàn)方法[M].北京：原子能出版社，1997.

[3]武大鵬，章學(xué)恒，楊彥云，等，中能重離子在位置靈敏CsI（Tl）探測器中能損與光輸出響應(yīng)的關(guān)系[J].核技術(shù)，2009，32（7）：550-555.

[4]Y. Larochelle， L. Beaulieu， B. Djerroud etal.， Energy-light relation for CsI（T1） scintillators in heavy ion experiments at intermediate energies，Nucl Instr and Meth A 348（1994）167-172.

[5]金仕綸，王建松，王猛，等，ΔE-E望遠(yuǎn)鏡在9C碎裂反應(yīng)上的應(yīng)用[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2012，46（4）：385-389.

[6]Larochelle Y， Beaulieu L， Djerroud B， et al. Energy-light relation for CsI（Tl） scintillators in heavy ion experiments at intermediate energies. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A， 1994，348：167-172.

[7]Kamanin DV， Wagner W， Ortlepp HG， A method for the intrinsic calibration of CsI（Tl） detectors. Nucl. Instr. and Meth A， 1998，413：127-137.

[8]馬維虎.9Li集團(tuán)態(tài)研究[D].蘭州大學(xué)，2017.