CsI(Tl)閃爍探測器脈沖形狀鑒別最優(yōu)積分條件的探究方法

劉 玲, 王鳳蘭,, 孫曉慧, 李鵬程,3, 黃年偉, 劉佳麗,劉順菊, 劉絲雨, 吳茂盛, 池銘璇, 王建松

(1. 沈陽師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 沈陽 110034;2. 湖州師范學(xué)院 理學(xué)院, 浙江 湖州 313000; 3. 蘭州大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 蘭州 730000)

CsI(Tl)閃爍探測器的發(fā)展已有百余年,其初期一直被用于電離輻射的探測。近年來,隨著其性能的不斷提升和優(yōu)化,CsI(Tl)閃爍探測器被更加廣泛應(yīng)用于放射束物理實驗中[1-4]。CsI(Tl)晶體的時間響應(yīng)快、易加工儲存、有較高的阻止本領(lǐng)和抗輻射能力,可用脈沖形狀甄別技術(shù)甄別不同粒子,并且價格低廉,常用于中能重離子引起的核反應(yīng)中帶電粒子能量和位置的測量[5-6]。CsI(Tl)晶體產(chǎn)生的閃爍光包含上升和衰減2個部分,其衰減部分包含快、慢2種成分,閃爍光熒光光子經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器件收集、轉(zhuǎn)換、放大,在陽極輸出電脈沖信號,此電脈沖信號為包含快、慢成分的脈沖波形[7]。脈沖波形分析[8-13]可實現(xiàn)粒子種類的鑒別,常見的粒子鑒別算法有波形擬合法、積分法[14]、模糊聚類算法[15-16]和矩陣算法。

在過去的實驗中,應(yīng)用較為成熟的粒子鑒別算法為積分法。對于包含快、慢2種成分的脈沖波形可以利用積分法鑒別粒子的種類,在脈沖波形上選取快、慢成分所對應(yīng)的時間區(qū)間進行積分,得到快、慢成分的電荷量,通過畫二維譜可以得到分布在不同曲線上的不同粒子,并實現(xiàn)粒子種類的區(qū)分。積分門的延遲和寬度的變化會得到不同的快、慢成分的電荷量,二維譜中的曲線的分布也會隨之發(fā)生變化,所以積分門的延遲和寬度的選取對探測器的粒子鑒別能力有很大的影響[14]。

對于傳統(tǒng)的VME數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng),積分法鑒別粒子需要在實驗時設(shè)定快、慢成分的電荷積分門,利用電荷積分插件QDC對閃爍體的脈沖波形實現(xiàn)快、慢成分的積分。這種方法對獲取系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力和存儲能力要求低,便于大規(guī)模通道實驗,但是如果積分門和延遲時間選擇不當,則有可能導(dǎo)致粒子鑒別效果不好,影響整個實驗數(shù)據(jù)的質(zhì)量?；赑XI的XIA獲取系統(tǒng)可以將實驗中真實的CsI(Tl)閃爍探測器輸出的每個粒子的脈沖波形完整記錄下來,利用數(shù)據(jù)處理軟件ROOT分析,查看每個事件的脈沖波形,逐個事件處理數(shù)據(jù),可剔除其中的異常波形,在每一個脈沖波形上設(shè)置快、慢成分的電荷積分門,編寫程序調(diào)整電荷積分門的延遲時間和寬度,計算不同的積分門延遲和寬度下探測器的粒子鑒別效果。這種方法雖然對數(shù)據(jù)傳輸能力和存儲能力要求較強,可以通過后期軟件處理保證粒子鑒別的效果。高輝等已經(jīng)在文獻[14]中利用模擬數(shù)據(jù)討論過不同電荷積分門延遲和寬度下的粒子鑒別效果,找到了最佳電荷積分門延遲和寬度的規(guī)律。本文旨在利用真實實驗數(shù)據(jù),給出粒子鑒別效果的判斷方法,討論不同積分門延遲和寬度下的粒子鑒別效果,探究該方法的可行性。

1 CsI(Tl)探測器的工作原理

CsI(Tl)晶體的光輸出總量依賴于CsI本身的屬性和Tl摻雜量,其產(chǎn)生的脈沖波形與入射粒子的能量、原子序數(shù)和質(zhì)量數(shù)相關(guān)。不同的帶電粒子在探測器中產(chǎn)生的閃爍光脈沖中快、慢成分的比例不同,所以得到的脈沖波形也有所差異[17]。脈沖波形中包含著帶電粒子的A,Z等信息,可以應(yīng)用脈沖波形分析的方法進行帶電粒子種類的鑒別。

一定能量的帶電粒子入射到CsI(Tl)晶體表面,激發(fā)形成平均電離密度為ρ的閃爍光脈沖由快、慢成分組成,t時刻的閃爍光脈沖形式可表示為

(1)

其中:Nf(ρ),Ns(ρ)分別為一次閃爍光脈沖中快、慢成分所包含的光子數(shù);τf,τs分別表示快、慢成分的衰減時間;快、慢成分包含的光子數(shù)的比值Nf(ρ)/Ns(ρ)隨ρ的增加而增加;τs基本與電離密度ρ無關(guān);τf是電離密度ρ的函數(shù)[18]。

CsI(Tl)晶體形成的閃爍光熒光光子經(jīng)光導(dǎo)被光電轉(zhuǎn)換器件收集、轉(zhuǎn)換、放大,在陽極輸出電脈沖信號,圖1所示為本次實驗獲得的一個典型的脈沖波形,衰減部分的快、慢2種發(fā)光成分分別用虛線和點劃線表示。CsI(Tl)閃爍探測器的光輸出與時間成指數(shù)關(guān)系,光輸出的脈沖波形表達式如下:

圖1 CsI(Tl)晶體的脈沖波形示意圖Fig.1 Schematic diagram of pulse waveform of CsI (Tl) crystal

(2)

式中:第1項為脈沖波形衰減部分的快成分,稱為fast;第2項為衰減部分的慢成分,稱為tail;第3項是脈沖的上升部分;hfast,hslow和hfront是與電離密度相關(guān)的發(fā)光強度;τfast,τslow是衰減時間常數(shù);τfront是信號的上升時間常數(shù),一般為10～100 ns。因為具有很快的上升時間,而衰減的時間很長,因此,上升部分經(jīng)常被忽略[14]。

2 實驗設(shè)置及探測器布局

實驗中使用8×8單元陣列CsI(Tl)閃爍探測器,整個探測器的前表面設(shè)計成球面狀,由64塊CsI(Tl)探測器單元構(gòu)成。CsI(Tl)晶體單元加工成前表面為21 mm×21 mm、后表面為 23.1 mm×23.1 mm、高為50 mm的棱臺,讀出單元為日本濱松公司生產(chǎn)的R1213型光電倍增管PMT(photo multiplier tube),其光陰極為φ=19 mm的圓面。為了更好耦合晶體與PMT,用航天有機玻璃加工成光導(dǎo)連接CsI(Tl)晶體的后表面與PMT的光陰極。光電倍增管用鐵筒屏蔽,晶體前表面用鋁箔包裹,晶體側(cè)面及光導(dǎo)用特氟龍膜包裹以增加光收集效率[19-20]。

本次實驗是在蘭州放射性束流線裝置[21](RIBLL1)上開展的,RIBLL1的結(jié)構(gòu)如圖2所示。由HIRFL提供的58AMeV的13C束流,轟擊RIBLL1中T0處的次級束流產(chǎn)生靶9Be得到前沖的6He粒子束流,4塊二級鐵設(shè)定磁剛度Bρ,經(jīng)二級鐵D1選擇,穿過C1處的降能片,再經(jīng)過二級鐵D2的選擇純化進入靶室T1,穿過飛行時間起始探測器,再經(jīng)過二級鐵D3,D4的傳輸進入靶室T2,穿過飛行時間停止探測器,得到次級束流6He,與大圓靶室內(nèi)的反應(yīng)靶發(fā)生反應(yīng)。初級束13C的平均流強為100 enA,初級靶為厚度6 mm的Be靶,降能器是厚度2 mm的Al,在T2處獲得流強>3 000 pps、能量為30 AMeV的6He次級束流,純度約為90%。相距17 m的T1與T2處的飛行時間探測器測量飛行時間(TOF),用于次級束流的逐個事件鑒別。

圖2 蘭州放射性束流線Fig.2 RIBLL 1

次級束射入真空大圓靶室內(nèi),靶室內(nèi)探測器布局如圖3所示,反應(yīng)靶前放置2個雙面硅微條探測器(DSSD),依次記為Si_1,Si_2,DSSD的正反面均有16條硅微條,用于測量與Pb靶反應(yīng)前次級束帶電粒子與硅微條作用的能量損失和徑跡。靶后放置2個DSSD,記為Si_3,Si_4,其正反面均有32條硅微條,用于測量與Pb靶反應(yīng)后粒子與硅微條作用的能量損失和徑跡。最后放置1個8×8單元陣列CsI(Tl)閃爍探測器,用于測量反應(yīng)后帶電粒子的能量和位置。

圖3 真空靶室內(nèi)探測器布置示意圖Fig.3 Layout diagram of detector in vacuum target room

真空靶室外放置7個BC501A液體閃爍體探測器,用于靶后中子的測量。

數(shù)據(jù)獲取采用VME+基于PXI的XIA獲取系統(tǒng)同步獲取的方案,由VME獲取trigger給XIA作為外部trigger, VME與XIA用同一脈沖發(fā)生器對齊。傳統(tǒng)的VME獲取系統(tǒng)直接將電信號經(jīng)過成型后在ADC將脈沖波形的峰值讀出,記錄信號的幅度?；赑XI的XIA 獲取系統(tǒng)可以直接處理前置放大信號并且直接獲取信號波形,以提供更多更全面的信息。

在數(shù)據(jù)處理時,將VME獲取的數(shù)據(jù)與XIA獲取的數(shù)據(jù)組成新的數(shù)據(jù)文件。VME獲取系統(tǒng)經(jīng)ADC讀出信號的峰值,記為CsI;XIA獲取系統(tǒng)獲取真實的脈沖波形,并利用ROOT找到脈沖波形的峰值,記為pkCsI。新文件中pkCsI和CsI為線性關(guān)系則說明事件同步匹配。

3 積分法

CsI(Tl)閃爍探測器輸出包含帶電粒子信息的脈沖波形,在脈沖波形上對快、慢成分設(shè)置fast gate和slow gate電荷積分門,對fast gate積分得到的是Qfast,對slow gate積分得到的是Qslow。做Qfast和Qslow二維譜,在Qfast和Qslow二維譜上不同的帶電粒子分布在不同的曲線上,實現(xiàn)帶電粒子的鑒別。積分門的延遲和寬度的變化會影響粒子的鑒別效果[14]。

CsI(Tl)晶體的光輸出的脈沖波形可用式(2)描述,忽略掉上升時間的影響,可將式(2)簡化為如下形式:

(3)

式中:τslow是常數(shù),約為4～7 μs;τfast,hfast與hslow的比值(R)與粒子的種類(A,Z)和能量E有關(guān),它們可用如下方程來表達[7]:

式(4)和式(5)中τ0,τ1,R0和d都是常數(shù),由實驗數(shù)據(jù)擬合而得到,而

q=AZ2

(6)

并且

(7)

由此知道hfast/hslow是關(guān)于E,A,Z的函數(shù),也就是CsI(Tl)晶體光輸出包含了粒子的能量E和種類(A,Z)的信息。對式(3)積分可得到總的光輸出:

(8)

總的光輸出有一個近似的公式[22]:

(9)

式中:a0,a1和a2為常數(shù);由式(4)和式(8)可以確定hfast和hslow的值。對式(3)用不同的時間區(qū)間進行積分就可以得到Qfast和Qslow的值,在Qfast和Qslow二維譜上不同粒子分布在不同的曲線上,由此實現(xiàn)粒子的鑒別。式(9)是總的光輸出與粒子能量及種類的關(guān)系,可以用來刻度不同粒子的不同光輸出總量所對應(yīng)的能量。

4 脈沖波形最優(yōu)積分條件的研究

ROOT是一種面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)分析處理軟件,是用C++編寫的一種界面化的分析程序,它可以方便快捷地進行高能物理與核物理方面大數(shù)據(jù)量的分析和處理,其提供了柱狀圖、擬合工具、二維譜等常用的工具。ROOT平臺能夠兼容C++語言,用戶可以根據(jù)自己的要求編寫分析程序或再次開發(fā)。

本實驗采用的基于PXI的XIA獲取系統(tǒng)會記錄下CsI(Tl)閃爍探測器輸出的每個事件的脈沖波形,在ROOT環(huán)境下編寫程序逐個事件分析脈沖波形,在脈沖波形上設(shè)置圖1所示的快、慢成分的電荷積分門,做積分得到電荷量Qfast和Qslow,以Qfast為橫坐標,Qslow為縱坐標,做Qfast-Qslow二維譜,不同的帶電粒子分布在不同的曲線上,實現(xiàn)反應(yīng)靶后帶電粒子種類的鑒別。

次級束粒子的種類Bρ+(ΔE-TOF) 方法鑒別。次級束粒子在RIBLL1中經(jīng)過二級鐵時做圓弧運動,此時粒子所受的洛倫茲力提供向心力,即公式(10),其中ρ為圓弧軌道半徑。

(10)

簡化得公式(11):

(11)

粒子經(jīng)T1到T2的飛行時間TOF與粒子的速度v的關(guān)系由公式(12)計算。

L=vt

(12)

實驗時4塊二級鐵的磁剛度Bρ均設(shè)置為定值, 實驗中T1到T2的距離L=17 m, 飛行時間TOF可測得, 由公式(12)確定速度v, 已知Bρ和速度v可確定粒子的質(zhì)量和電荷的比值m/q。 粒子在DSSD上的能量損失ΔE可鑒別粒子的電荷數(shù)Z。 結(jié)合4塊二級鐵的磁剛度Bρ、探測器Si_1上次級束粒子的能損ΔE和粒子經(jīng)T1至T2的飛行時間(TOF), 就可以鑒別粒子的質(zhì)量數(shù)A和電荷數(shù)Z, 得到TOF-ΔE二維譜, 在TOF-ΔE二維譜上便可以鑒別靶前帶電粒子的種類, 如圖4所示。 在TOF-ΔE二維譜上對每種粒子卡窗, 對于經(jīng)過反應(yīng)靶大部分未發(fā)生反應(yīng)的粒子, 可與Qfast-Qslow二維譜上所鑒別的粒子種類進行比較[23],如圖5所示。

圖5 Qfast-Qslow二維譜Fig.5 Qfast-Qslow two-dimensional spectrum

因粒子與硅微條作用時存在溝道效應(yīng)或打偏的情況,導(dǎo)致一條硅微條讀出的能量值小,故在TOF-ΔE二維譜上6He可能與氚(t)落在同一區(qū)域,在卡窗選擇t粒子時就包含這部分6He粒子,所以在Qfast-Qslow二維譜中出現(xiàn)t中包含著6He,比照6He正常位置可以認定圖5中所示位置為t。

在Qfast-Qslow二維譜上定義一條過6He的直線Ax+By+C=0,選取t和部分6He,應(yīng)用公式(13)求出所選中粒子到該直線的距離:

(13)

利用ROOT分析得圖6所示的粒子距離分布的一維譜,對圖6中的t和6He兩峰高斯擬合,得到兩峰的中心值d1,d2和表征峰的寬度的參數(shù)σ1和σ2。將擬合得到的兩峰的中心值的差值與兩峰表征寬度的參數(shù)之和的比值定義為R,即為公式(14),R值的大小可反映粒子鑒別效果,與品質(zhì)因子定義類似。

圖6 粒子距離分布一維譜

(14)

為驗證這種鑒別方式的可行性,選定一個fast gate區(qū)間進行計算(以fast gate:0～50 ns為例)。計算過程中改變slow gate區(qū)間的延遲和寬度,得到不同slow gate積分門延遲和寬度下的R值。將計算得到的R值在圖7中表現(xiàn)出來,可以看出,隨著slow gate積分門的改變,R值的變化有一定的規(guī)律。結(jié)果表明,將slow gate積分門的起點選在峰值后+300 ns～+400 ns,終點選在峰值后+1 500 ns～+1 800 ns均可得到較優(yōu)的鑒別效果。

圖7 粒子鑒別效果比較圖

5 結(jié) 語

在ROOT環(huán)境下,對XIA獲取系統(tǒng)獲取的閃爍光脈沖波形應(yīng)用脈沖波形分析的積分法鑒別帶電粒子,利用點到直線的距離公式計算粒子分布的距離,計算得到可反映鑒別效果的R值,隨著slow gate積分門的延遲和寬度的變化,R值顯現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。足以說明用這種方法研究粒子鑒別效果是可行的。

本文討論了該方法的可行性,在后續(xù)的工作中應(yīng)用該方法計算可得到積分法鑒別帶電粒子時積分門的最佳區(qū)間范圍,為以后利用QDC插件做脈沖形狀粒子鑒別的實驗提供了參考。