GECAM伽馬探測器康普頓電子能量響應(yīng)研究

江環(huán)　顏兵

摘? 要：引力波暴高能電磁對應(yīng)體全天監(jiān)測器由兩顆相同的微小衛(wèi)星組成，旨在完成對引力波事件伴隨出現(xiàn)的伽馬射線及其他高能天體暴發(fā)事例。作為主要載荷，GRD探測器使用LaBr3晶體耦合SiPM陣列探測X/γ射線。本文主要利用廣角康普頓散射符合技術(shù)研究其電子能量響應(yīng)特性。結(jié)果表明，雙摻溴化鑭的GRD探測器對伽馬與電子的響應(yīng)在低能區(qū)，隨能量減小而增加。

關(guān)鍵詞：GECAM;溴化鑭;康普頓電子;非線性響應(yīng)

中圖分類號：P111? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）20-0059-03

Study on Compton Electron Energy Response of GECAM Gamma Detector

JIANG Huan YAN Bing

（1.School of Information Engineering， Jiangxi University of Science and Technology， Ganzhou? 341000， China; 2.Shool of Information and Communication Engineering， North University of China， Taiyuan? 030051， China）

Abstract： The Gravitational Wave High-energy Electromagnetic Counterpart All-sky Monitor （GECAM） is composed of two identical microsatellites. Its main goal is to complete the monitoring of the Gamma-Ray Bursts （GRBs） coincident with Gravitational Wave （GW） events and other high-energy celestial bodies outbreak instances. As the main load， the GRD detector uses LaBr3 crystal coupled SIPM array to detect X/γ ray. In this paper， the electron energy response characteristics are studied by wide-angle Compton scattering coincidence technique. The results show that the response of double lanthanum bromide doped GRD detector to gamma and electron increases with the decrease of energy in the low energy region.

Keywords： GECAM; LaBr3; Compton electron; nonlinear response

0? 引? 言

引力波暴高能電磁對應(yīng)體全天監(jiān)測器（The Gravitational Wave High-energy Electromagnetic Counterpart All-sky Monitor， GECAM）是中國在2018年立項的監(jiān)測與引力波（GW）相關(guān)的伽馬暴（GRB）事件的新任務(wù)[1]，主要科學(xué)目標(biāo)是探測和定位引力波事件發(fā)射的8 keV～2 MeV的X射線和伽馬射線。GECAM由兩顆相同的微小衛(wèi)星組成，每顆衛(wèi)星由25個伽馬探測器（GRD）和8個荷電探測器（CPD）組成。作為GECAM的主要載荷，GRD由直徑為76.5毫米、厚度為15毫米的溴化鑭（LaBr3）晶體和64片硅光電倍增管（SiPM）構(gòu)成的陣列耦合組成[2]，對其進行能量線性刻度是后續(xù)能量重建的基礎(chǔ)。這里我們采用廣角康普頓散射技術(shù)（WACC）[3]測量其對電子的能量響應(yīng)，并采用放射源的特征伽馬射線測量其對伽馬的響應(yīng)。

Swiderski等人[4]已經(jīng)給出單摻LaBr3晶體的電子和伽馬光子能量響應(yīng)特性：伽馬能量減少到大約100 keV時，單位能量的光產(chǎn)額開始減小，而電子的光產(chǎn)額在20 keV是才開始明顯減小。但是對于雙摻晶體的特性還并未見報道。本文主要應(yīng)用廣角康普頓符合技術(shù)測量了使用雙摻LaBr3晶體的GRD探測器能量為20 keV～250 keV康普頓電子的能量響應(yīng)，并與伽馬光子的全能峰響應(yīng)結(jié)果進行對比。

1? 實驗設(shè)置

1.1? 探測器和電子學(xué)

如圖所示，廣角康普頓散射符合裝置由GRD探測器和高純鍺（HPGe）探測器組成，兩者保持在同一高度以極近的距離相對放置，由于沒有準(zhǔn)直器的影響，具有比較大的立體角。通過調(diào)整137Cs放射源的位置來確定對應(yīng)的散射角和散射電子能量區(qū)域，鉛磚用于屏蔽放射源直射高純鍺探測器，造成偶然符合過多。

高純鍺探測器偏置電壓設(shè)為-3.5 kV，信號經(jīng)過前置放大器后傳遞到主放大器Ortec 572A，高斯成型時間設(shè)置為2微秒，單極信號端口輸出到flash ADC DT5751 和低閾甄別器N844 中產(chǎn)生輸入信號的過閾邏輯門信號。GRD工作在28 V電壓下，信號經(jīng)過自身前置放大器放大10倍后，高增益通道信號傳輸?shù)缴热肷瘸瞿K。一路直接輸入到DT5751，另一路經(jīng)由低閾甄別器產(chǎn)生邏輯門信號。

GRD探測器和高純鍺探測器的邏輯門信號同時傳輸?shù)椒夏KN455，經(jīng)過邏輯與運算產(chǎn)生一個邏輯信號輸出到DT5751作為外觸發(fā)信號。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DT5751根據(jù)產(chǎn)生的雙重符合外觸發(fā)信號來記錄兩個探測器同時沉積能量的事例波形數(shù)據(jù)。兩個探測器的波形數(shù)據(jù)以10bits分辨率，1 V動態(tài)范圍，1GS/s采樣率對應(yīng)存儲，以供后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

1.2? 全能峰響應(yīng)

數(shù)據(jù)分析的第一步是對兩個探測器進行能量刻度，將波形的面積和幅度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的伽馬能量。HPGe和GRD探測器在每次測量前，都使用241Am（59.6 keV）和137Cs（662 keV）對其進行刻度。HPGe探測器具有優(yōu)秀的能量分辨率，測試得到在0.2 keV@59.54 keV，1.46 keV@662 keV。對于現(xiàn)有實驗設(shè)置，測量康普頓電子精度達到10 keV。

數(shù)據(jù)分析的第一步是對探測器進行能量刻度，將散射事例的波形面積和幅度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的伽馬能量。為了消除不同電路連接的影響，不改變散射實驗裝置的線路連接，通過將外觸發(fā)符合模式切換到自觸發(fā)模式，使用相同設(shè)置來測量不同放射源的全能峰能譜，可以得到GRD探測器不同能量下的相對光產(chǎn)額結(jié)果。一系列能量范圍從32 keV到662 keV的標(biāo)準(zhǔn)放射源用于研究探測器的響應(yīng)特性，LaBr3晶體具有自發(fā)放射性37.4 keV[5]的低能X射線。最后將相對光產(chǎn)額歸一化到662 keV，得到GRD探測器的全能峰響應(yīng)特性。放射源列表及其能量見表1。

1.3? 測量方法

康普頓散射技術(shù)測量康普頓電子響應(yīng)的原理是在第一級的GRD散射探測器中記錄伽馬射線散射電子產(chǎn)生的信號，然后在第二級的高純鍺探測器中沉積后續(xù)散射光子的剩余能量。散射光子和散射電子的能量都是散射角的函數(shù)，廣角康普頓散射符合通過應(yīng)用極近的幾何近距離和較大的立體角，同時測量記錄多個散射角度的散射事例，大幅度地提高實驗數(shù)據(jù)采集效率。

因此，通過從已知的伽馬射線源能量E_γ中減去散射到HPGe探測器中的散射光子能量E_HPGe，我們可以計算沉積在散射探測器中的散射電子能量E_GRD。

最終，實驗測試得到的大多數(shù)符合事例都是散射探測器中的康普頓散射電子和HPGe探測器中散射光子的相互作用的符合事例。將高純鍺探測器和GRD探測器中沉積的能量映射到二維散點圖后如圖3所示。

根據(jù)能量守恒原理，可以很容易地注意到其中的傾斜結(jié)構(gòu)，其中每個點對應(yīng)于一個在GRD和HPGe探測器之間的康普頓散射事例，傾斜結(jié)構(gòu)中的事例的能量由相應(yīng)的伽馬源發(fā)射的伽馬能量E_γ給出。圖中的其余事例來源：

（1）γ射線在周圍環(huán)境物體上散射后檢測到的符合。

（2）水平結(jié)構(gòu)是由于¹³⁸La衰變能量37.4 keV的偶然符合。

（3）GRD探測器SiPM熱噪聲信號的偶然符合。

廣角康普頓散射符合技術(shù)允許通過使用相對短時間內(nèi)測量的數(shù)據(jù)，在較寬的電子能量范圍內(nèi)獲得探測器的散射電子響應(yīng)性能。

1.4? 非線性的定義

輻射探測器的非線性通常是指測量峰值位置與理論峰值位置的比率，其中“理論”值是指用能量沉積成線性的理想探測器測量結(jié)果。由于HPGe探測器具有優(yōu)秀的能量分辨率和能量響應(yīng)線性，通過從已知的伽馬射線源能量中減去散射到HPGe探測器中的散射光子能量，可以計算出沉積在散射探測器GRD中的散射電子能量。而實際測量的康普頓電子的相對光產(chǎn)額是通過對HPGe探測器能量應(yīng)用窄能量cut以確定對應(yīng)的散射電子能量得到的。將對應(yīng)的GRD探測器能量數(shù)據(jù)投影到散射探測器能量軸上，反映GRD散射探測器中散射電子沉積的能量分布。

如果探測器的能量響應(yīng)是線性的，那么總和能量E_Sum的就等于放射源能量，不會發(fā)生偏移。E_Sum的偏移是GRD探測器和HPGe探測器能量非線性響應(yīng)共同作用的結(jié)果。但是對應(yīng)于散射光子的高能區(qū)，可以忽略高純鍺探測器能量響應(yīng)非線性的影響，認(rèn)為總和能量E_Sum的偏移都是由散射探測器GRD的非線性響應(yīng)造成的。高純鍺探測器能量cut寬度越窄則GRD探測器散射電子能量越精確，但是數(shù)據(jù)統(tǒng)計量會相應(yīng)減少，需要根據(jù)實際情況選擇合適的cut寬度。根據(jù)總和能量偏移ΔE_Sum和散射探測器GRD非線性偏移ΔE_GRD之間的幾何關(guān)系，散射探測器EGRD處的非線性NL可以由下式得到：

2? 實驗結(jié)果

按照廣角康普頓散射符合技術(shù)，使用137Cs源測量得到散射事例的波形數(shù)據(jù)，對GRD探測器的散射電子非線性響應(yīng)進行研究分析。對于現(xiàn)有實驗設(shè)置，測量康普頓電子精度能低至10 keV。我們關(guān)注研究的GRD探測器的低能區(qū)域，對應(yīng)于HPGe探測器的具有優(yōu)秀線性響應(yīng)的高能區(qū)。圖4顯示了通過應(yīng)用上一章節(jié)中描述的數(shù)據(jù)處理方法，對高純鍺探測器能量E_HPGe應(yīng)用10 keV能量寬度cut得到對應(yīng)的GRD探測器的散射電子響應(yīng)的結(jié)果，并與單能伽馬放射源的伽馬光子直接響應(yīng)結(jié)果進行對比。

與之前報道的單摻GRD探測器的全能峰響應(yīng)隨著伽馬能量的增加而響應(yīng)相對增加的結(jié)果[6]不同。對比廣角散射方法和全能峰的能量響應(yīng)結(jié)果，可以看到雙摻探頭的趨勢一致，都是隨著電子能量的增加而響應(yīng)相對減小?？傮w來說，GRD探測器的響應(yīng)趨勢在大部分的能量區(qū)間能量響應(yīng)只改變了5%，具有優(yōu)良的能量響應(yīng)線性。

3? 結(jié)? 論

GRD探測器作為GECAM的主要載荷，使用了單摻（Ce）和雙摻（Ce和Sr）兩種溴化鑭晶體和SiPM陣列組成伽馬探測器，探測和定位伴隨引力波出現(xiàn)的X/γ射線。在此項研究中，使用137Cs放射源下應(yīng)用廣角康普頓符合技術(shù)，實現(xiàn)在相對短的時間內(nèi)，達到有效檢測連續(xù)散射電子能量下的雙摻雜GRD探測器能量響應(yīng)非線性的目的。結(jié)果表明，雙摻雜LaBr3晶體的散射電子與γ光子響應(yīng)趨勢相同，對于低于100 keV的能量范圍，電子響應(yīng)在測量的能量范圍內(nèi)略有5%變化，GRD探測器在電子能量范圍內(nèi)總體表現(xiàn)出良好的線性特性，符合設(shè)計預(yù)期，滿足在軌工作需要。這項課題的進一步研究仍在進行中，期望未來在低溫環(huán)境下能夠降低噪聲得到更低的能量閾值的響應(yīng)特性，以及對其他閃爍體的電子能量響應(yīng)特性。

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作者簡介：江環(huán)（1989.12—），男，漢族，湖北洪湖人，碩士在讀，研究方向：伽馬探測器。