李 勇，金仕綸，王建松，楊彥云，黃美容，馬 朋，馬軍兵，趙明輝，白 真，周遠杰，馬維虎，王 琦

（1.中國科學(xué)院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

新型望遠鏡帶電粒子探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與理論模擬

李 勇1，2，金仕綸1，2，王建松1，楊彥云1，黃美容1，馬 朋1，馬軍兵1，趙明輝1，2，白 真1，周遠杰1，2，馬維虎1，2，王 琦1

（1.中國科學(xué)院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

為了在蘭州重離子加速器國家實驗室（HIRFL）的放射性束流線（RIBLL1）上開展基于完全運動學(xué)測量的遠離β穩(wěn)定線奇異核反應(yīng)機制的研究，需研制一套由多個獨立的望遠鏡系統(tǒng)（探測模塊）組成的帶電粒子探測陣列。每個探測模塊包含1塊16×16的厚65μm的雙面硅條探測器、1塊4×4的厚1 000μm的像素硅探測器和由雪崩光二極管（APD）讀出的4×4CsI（Tl）陣列探測器。該探測陣列可實現(xiàn)大的能量測量范圍、高能量分辨率和位置分辨，同時具備大立體角覆蓋和粒子關(guān)聯(lián)測量的能力。通過Geant4探測器模擬軟件對單個探測模塊進行模擬，結(jié)合對探測模塊各部分的實驗測試，給出了探測模塊的設(shè)計方案和整體性能指標。

帶電粒子；ΔE-E望遠鏡；Si探測器；CsI（Tl）；Geant4

隨著放射性束流裝置的發(fā)展，越來越多遠離β穩(wěn)定線非穩(wěn)定核束被用來研究原子核的奇特結(jié)構(gòu)和反應(yīng)機制，放射性束核物理已成為核物理中一項十分活躍的分支。暈核的發(fā)現(xiàn)，誘發(fā)人們重新認識已有的核結(jié)構(gòu)和核模型理論［1］。文獻［2-3］利用蘭州重離子加速器國家實驗室（HIRFL）放射性束流線（RIBLL1）對7Be、8B等豐質(zhì)子核引起的彈性散射進行了測量，并研究了原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)對反應(yīng)機制的影響等。為了在RIBLL1終端上開展對遠離β穩(wěn)定線奇異核反應(yīng)機制的研究，需對反應(yīng)產(chǎn)物進行完全運動學(xué)測量，以獲取更全面的信息，有助于系統(tǒng)、深入地理解9C、8B等豐質(zhì)子核的暈結(jié)構(gòu)、質(zhì)子關(guān)聯(lián)及對其核反應(yīng)機制的影響。同時，由于RIBLL1為彈核碎裂型（PF型）放射性束流線，其放射性束束斑較大、流強較小，為了得到高質(zhì)量實驗數(shù)據(jù)，本工作研制了一套具有多層望遠鏡結(jié)構(gòu)的帶電粒子探測模塊，此探測模塊具有獨立的探測功能、大的能量測量范圍、高的能量分辨和位置分辨能力及粒子關(guān)聯(lián)測量等性能，同時也可利用多個模塊組成探測陣列，實現(xiàn)大立體角覆蓋。國際上類似的探測器有MUST［4］、LASSA［5］、HiRA［6］等。本文通過對探測模塊各部分的實驗測試及通過Geant4程序的模擬，優(yōu)化探測器的制作方案。通過Geant4程序模擬探測模塊對9C＋208Pb的中心碰撞和擦邊碰撞產(chǎn)物的響應(yīng)，給出探測模塊的整體性能。

1 探測器結(jié)構(gòu)

如圖1所示，探測模塊由3層望遠鏡系統(tǒng)組成：a為雙面硅條探測器，厚為65μm、總面積為48mm×48mm、16×16塊、條寬約3mm； b為像素硅探測器，厚為1 000μm、總面積為48mm×48mm、4×4塊、靈敏單元面積為11.5mm×11.5mm；d為CsI（Tl）探測器，厚為5cm、每塊面積為11.5mm×11.5mm、4×4塊；e為與CsI（Tl）通過硅膠耦合的雪崩光二極管（APD），靈敏面積為11.5mm×11.5mm、4×4塊；c為覆蓋于CsI（Tl）晶體前端入射面的厚為7μm的Al膜，以增加CsI（Tl）晶體中閃爍光的收集率。

圖1 探測模塊示意圖Fig.1 Scheme of detector module

針對碎裂核反應(yīng)產(chǎn)物較廣的能量動態(tài)范圍，本文研制的探測器采用多層探測介質(zhì)來阻止和鑒別所產(chǎn)生的粒子。當粒子穿過雙面硅條探測器且被阻止于像素硅探測器上時（對于質(zhì)子，E＝2.4～12.8MeV／u；對于16O，E＝4.8～27.4MeV／u），可用雙面硅條探測器作為ΔE探測器、像素硅探測器作為E探測器來鑒別粒子。當粒子能量較高足以穿過雙面硅條探測器和像素硅探測器而阻止于CsI（Tl）探測器上時（對于質(zhì)子，E＝12.8～115MeV／u，對于16O，E＝27.4～305MeV／u），可用雙面硅條探測器和像素硅探測器作為ΔE探測器、CsI（Tl）探測器作為E探測器來鑒別粒子。

對于碎裂反應(yīng)產(chǎn)物具有多重性的特點，探測器采用像素硅探測器及與像素硅探測器靈敏單元一一對應(yīng)的CsI（Tl）探測陣列來實現(xiàn)對多重粒子的同時探測。條寬為3mm的雙面硅條探測器作為ΔE探測器的同時也作為位置測量探測器，提供入射粒子的二維位置信息，保證探測器具有足夠好的角度分辨能力。另外，此探測模塊具有獨立的探測功能，可同時利用多個獨立的探測模塊組成探測陣列，實現(xiàn)在實驗中探測器的靈活布置和廣立體角覆蓋。

圖2為探測模塊支架的設(shè)計圖，左側(cè)為支架側(cè)視圖，右側(cè)為上視圖。圖中，A為探測模塊的粒子入射窗口；B、C分別為雙面硅條探測器和像素硅探測器；G為固定硅探測器底座支架的槽口，可在槽口范圍內(nèi)改變硅探測器的放置位置；F為分布于兩側(cè)可拆卸的條形擋板，可根據(jù)硅探測器放置位置，拆卸相應(yīng)的擋板，輸出硅探測器的排線，同時可允許放入α標準源對探測器進行刻度；D為放置CsI（Tl）陣列的框架；E為CsI（Tl）探測器框架末端的開孔，可通過冷卻管，利用冷卻乙醇對APD進行冷卻，保證探測器的穩(wěn)定性能［7］。

圖2 探測模塊的支架設(shè)計Fig.2 Technical drawing of detector module

2 探測器測試

2.1 雙面硅條探測器和像素硅探測器測試

雙面硅條探測器由Micron Semiconductor Limited Company生產(chǎn)，型號為W1（DS）。利用241Am源產(chǎn)生的5.48MeVα粒子在真空（2×10－3Pa）環(huán)境中對探測器進行測試，探測器連接前置放大器Mesytec MRR-16，并共同置于真空靶室中。輸出信號至靶室外的主放大器Mesytec MSCF-16，其連至VME電子學(xué)獲取系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)獲取。

像素硅探測器由Micron Semiconductor Limited Company生產(chǎn)，型號為MSPX 042。像素硅探測器的測試環(huán)境和雙面硅條探測器的測試環(huán)境相同。

圖3分別為雙面硅條探測器和像素硅探測器其中一靈敏單元的α能譜。雙面硅條探測器和像素硅探測器對5.48MeV的α粒子能量分辨率分別為1.2%和1.8%，雙面硅條探測器和像素硅探測器的能量分辨率均勻性較好，雙面硅條探測器各條的能量分辨率波動在±0.2%，像素硅探測器各像素的能量分辨率均在2%以內(nèi)。

2.2 CsI（Tl）探測器測試

CsI（Tl）為中國科學(xué)院近代物理研究所生產(chǎn)的Tl激活的CsI閃爍晶體，Tl的摻雜濃度為0.1%［8］，APD為Hamamtsu公司生產(chǎn)，型號為S8664-1010。CsI（Tl）探測器的測試系統(tǒng)如圖4所示，APD由硅脂耦合于CsI（Tl）晶體后端，置于真空靶室內(nèi)。APD連至靶室外的前置放大器ORTEC-142A，前置放大器由ORTEC710提供高壓。前置放大器信號經(jīng)主放大器CAEN-N568放大后輸出至VME獲取系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)獲取。

圖3 雙面硅條探測器（a）和像素硅探測器（b）的α能譜Fig.3 αspectrum of double-side silicon strip-detector（a）and pixel-silicon detector（b）

圖4 CsI（Tl）探測器的測試系統(tǒng)Fig.4 Testing system of CsI（Tl）detector

1）CsI（Tl）探測器的不同包裹材料對能量分辨率的影響

當粒子入射到CsI（Tl）晶體與之發(fā)生相互作用時，能量沉積于CsI（Tl）晶體而使晶體內(nèi)部原子、分子電離和激發(fā)，受激原子、分子退激發(fā)時，產(chǎn)生閃爍光，CsI（Tl）晶體表面包裹反射層可減少閃爍光的損失，有利于提高APD對閃爍光的接受效率。

在相同的測試條件（APD偏壓為450V）下，測試CsI（Tl）晶體包裹不同反光材料（7μm厚Al膜、Teflon膜、Tyvek紙）時，CsI（Tl）探測器對5.48MeVα源的能量分辨率分別為8.13%、8.33%、7.25%。因此，采用Tyvek紙包裹材料效果較好。

2）CsI（Tl）探測器能量分辨率與APD偏壓的關(guān)系

圖5 長方體CsI（Tl）探測器對α源的能量分辨率隨APD偏壓的變化Fig.5 Energy resolution of rectangle CsI（Tl）detector vs bias voltage of APD

圖5示出包裹Tyvek紙的長方體CsI（Tl）探測器（截面11.5mm×11.5mm，長50mm）在不同APD偏壓下的能量分辨率?？煽闯?，APD所加偏壓對CsI（Tl）探測器的能量分辨率影響較大，偏壓為360V時，CsI（Tl）能量分辨率最好（約5.4%），因此，通過圖5所示的測量可得出APD的最佳偏壓。

3）CsI（Tl）晶體的形狀對CsI（Tl）探測器能量分辨率的影響

為優(yōu)化CsI（Tl）探測器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，CsI（Tl）探測器中的CsI（Tl）晶體選擇長方體和棱臺型兩種備選形狀，長方體截面11.5mm× 11.5mm，長50mm；棱臺型前截面11.5mm× 11.5mm，后截面14mm×14mm，長50mm。為使CsI（Tl）晶體顆粒與像素硅顆粒更好地相匹配，即CsI（Tl）晶體入射截面與像素硅靈敏單元的面積相等，晶體的入射截面設(shè)置為11.5mm× 11.5mm，以利于實驗結(jié)果的處理和粒子多重性的測量。目前實驗室可用的APD的靈敏面積僅有11.5mm×11.5mm，即只能完全覆蓋長方體CsI（Tl）晶體出射截面，而不能完全覆蓋棱臺型晶體的出射截面。

測試結(jié)果表明，在相同的包裹材料（Tyvek紙）下，長方體和棱臺型CsI（Tl）探測器對5.48MeVα源的能量分辨率分別為5.4%、7.9%。長方體CsI（Tl）探測器的能量分辨率較棱臺型的能量分辨率好，原因是APD的靈敏面積不能完全覆蓋棱臺型CsI（Tl）晶體的出射截面，導(dǎo)致對其閃爍光的接受效率降低，從而影響CsI（Tl）探測器的能量分辨能力。

3 探測器的Geant4模擬

3.1 CsI（Tl）探測器的模擬

探測器的模擬采用Geant4程序。Geant4程序是由歐洲核子研究中心（CERN）主導(dǎo)開發(fā)的用于粒子物理和核物理的蒙特卡羅模擬程序包［910］，可有效模擬粒子與探測器介質(zhì)之間的相互作用，包含全面的物理相互作用過程，并易于跟蹤感興趣粒子，獲得粒子位置、能量、能損和動量等信息［11］。

模擬中，CsI（Tl）探測器中Tl濃度為0.1%，對光吸收長度為1m，CsI（Tl）探測器的熒光光譜中心波長為550nm，光產(chǎn)額為3 000MeV－1，熒光快慢成分之比為1∶0，衰減時間為10ns。CsI（Tl）探測器表面特性為拋光，不同包裹材料的光學(xué)性質(zhì)為：Al膜，glisur-dielectric＿metal；Teflon膜，LUT-polishedteflon＿air；Tyvek紙，LUT-polishedtyvek＿air［12－13］。粒子源為5.48MeV α面源或質(zhì)子面源，面積為10mm2，運行事例為10 000個。

1）單塊CsI（Tl）探測器的模擬結(jié)果

表1列出了長方體CsI（Tl）探測器包裹不同材料時，對5.48MeVα源的模擬結(jié)果。由表1可知，當CsI（Tl）探測器包裹Tyvek紙時，能量分辨率較高。

表1 CsI（Tl）探測器的包裹材料對能量分辨率的影響Table 1 Effect of wrapping material on energy resolution of CsI（Tl）detector

表2列出了不同形狀的CsI（Tl）探測器對5.48MeVα源的模擬結(jié)果。由表2可知，當使用有效面積為11.5mm×11.5mm的APD時，長方體CsI（Tl）探測器的能量分辨率高于棱臺型CsI（Tl）探測器的，棱臺型CsI（Tl）探測器使用有效面積為14mm×14mm的APD時的能量分辨率較使用11.5mm×11.5mm時的高，這是因為，由于棱臺型CsI（Tl）探測器中的CsI（Tl）晶體出射截面為14mm×14mm，使用具有較大有效面積的APD時可將CsI（Tl）

表2 不同形狀的CsI（Tl）探測器對能量分辨率的影響Table 2 Effect of different shape CsI（Tl）detectorson energy resolution

當多塊CsI（Tl）探測器組成CsI（Tl）探測陣列時，實驗中會產(chǎn)生串擾，即入射粒子同時在多塊CsI（Tl）探測器中產(chǎn)生信號，影響探測器的探測效果，為此需考慮CsI（Tl）探測陣列的整體性能。

CsI（Tl）探測陣列由16塊CsI（Tl）探測器組成。CsI（Tl）探測陣列分為3種布局模式（圖6）。模式1：16塊長方體CsI（Tl）探測器（11.5mm×11.5mm）按4×4規(guī)則排列，整體外部輪廓為長方體；模式2：16塊棱臺型CsI（Tl）探測器（11.5mm×11.5mm，14mm× 14mm）按4×4層排列，整體外部輪廓為棱臺型；模式3：16塊長方體CsI（Tl）探測器（11.5mm× 11.5mm）布局方式與模式2的相同，整體外部輪廓為近棱臺型。

圖6 CsI（Tl）探測陣列的3種布局模式Fig.6 Three layout patterns of CsI（Tl）detector array

入射5.48MeVα粒子和不同能量質(zhì)子時，不同模式下CsI（Tl）探測陣列的串擾情況列于表3，串擾率為同一入射粒子同時在多個CsI（Tl）探測器上產(chǎn)生信號的事件數(shù)占總事件數(shù)的比率。模擬中的粒子源距探測器17cm，向立體角內(nèi)均勻發(fā)射粒子的點源。由表3可看出，模式3的串擾情況介于模式1和模式2之間。

表3 3種模式下CsI（Tl）探測陣列的串擾情況Table 3 Crosstalk of CsI（Tl）detector array under three modes

3種不同模式的CsI（Tl）探測陣列對具有一定入射深度的30MeV質(zhì)子的模擬情況列于表4，模擬結(jié)果為16塊CsI（Tl）探測器的平均能量分辨率。

表4 3種模式對30MeV質(zhì)子的能量分辨率Table 4 Energy resolution of three modes of 30MeV proton

由表3、4可知，模式3的CsI（Tl）探測陣列的事件串擾情況和能量分辨率均較模式1的好。模式3的CsI（Tl）探測陣列的串擾率雖高于模式2，但由于模式3中采用的長方體CsI（Tl）探測器能量分辨率好于模式2中的棱臺型CsI（Tl）探測器的能量分辨率，導(dǎo)致模式3整體的能量分辨率高于模式2的能量分辨率，因此，CsI（Tl）探測陣列采取模式3。

3.2 整體模塊的模擬

探測器的整體模塊由65μm厚雙面硅條探測器＋1 000μm厚像素硅探測器＋CsI（Tl）探測陣列（模式3）構(gòu)成。模擬此探測模塊對由IMQMD計算出的9C＋208Pb中心碰撞產(chǎn)物和碰撞參數(shù)b＝0～12fm的擦邊碰撞產(chǎn)物的響應(yīng)（9C的能量為50AMeV），模擬結(jié)果如圖7所示?？煽闯?，探測器對Z較小的帶電粒子可較好地分辨。

圖8為探測到的9C＋208Pb擦邊碰撞（碰撞參數(shù)b＝0～12fm）同時產(chǎn)生的兩個入射粒子的夾角分布，其中探測器距源17.1cm?？煽闯?，探測器可較好地分辨出夾角為2°的多重粒子。

圖7 探測器對由IMQMD計算的9C＋208Pb中心碰撞（a）和擦邊碰撞（b）產(chǎn)物的模擬結(jié)果Fig.7 Simulation results of production produced by central collision（a）and grazing collision（b）of9C＋208Pb

圖89C＋208Pb擦邊碰撞產(chǎn)物多重粒子夾角分布Fig.8 Distribution of angle between multi particles produced by grazing collision of9C＋208Pb

4 結(jié)論

為了在HIRFL的RIBLL1終端上實現(xiàn)對遠離β穩(wěn)定線奇異核核反應(yīng)的完全運動學(xué)測量，從而更深入地研究奇異核性質(zhì)及核反應(yīng)機制，本文給出了探測模塊的設(shè)計方案。通過對探測模塊各部分的實驗測試，獲得各部分的實驗性能和最佳的工作條件。對單塊CsI（Tl）探測器的Geant4模擬結(jié)果和實驗測試結(jié)果相符，驗證了模擬的可靠性。通過對CsI（Tl）探測陣列及整個探測模塊的模擬，確定出CsI（Tl）探測陣列的設(shè)計方案，且證明了探測模塊具有較好的粒子探測能力。

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Constructional Design and Theoretical Simulation
of Novel Telescope System for Charged Particle Detection

LI Yong1，2，JIN Shi-lun1，2，WANG Jian-song1，YANG Yan-yun1，HUANG Mei-rong1，MA Peng1，MA Jun-bing1，ZHAO Ming-hui1，2，BAI Zhen1，ZHOU Yuan-jie1，2，MA Wei-hu1，2，WANG Qi1
（1.Institute of Modern Physics，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou730000，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China）

In order to study the reaction mechanism of exotic nuclei far fromβstability line based on complete kinematic measurement on the Radioactive Ion Beam Line in Lanzhou（RIBLL1）at the Heavy-Ion Research Facility in Lanzhou（HIRFL），a charged particle detector array，which is composed of multiple identical telescope systems，is needed to be developed.Each telescope，a full function detector module，consists of a double-side silicon strip-detector（16×16）with thickness of 65μm，apixel-silicondetector with 16（4×4）pixels with thickness of 1 000μm，and an array of 4×4CsI（Tl）crystals with length of 5cm which are read out by avalanche photo diodes（APD）.The detector array has performance characteristics of high energy resolution over a wide dynamic range in energy，reasonable position resolution and large solid-angle coverage.It also can detect multiple particles simultaneously.In this work，a detailed simulation of the detector module was performed based on Geant4.With the simulation and the experimental tests of each part of the detector module，the design construction and a whole predicting performance of the detector module were given.

charged particle；ΔE-E telescope；silicon detector；CsI（Tl）；Geant4

O571

：A

：1000-6931（2015）05-0944-07

10.7538／yzk.2015.49.05.0944

2014-01-08；

2014-04-02

973計劃資助項目（2014CB845405，2013CB834401）；國家自然科學(xué)基金資助項目（11075190，11005127，11205209，11205221）

李 勇（1989—），男，河南南陽人，碩士研究生，粒子物理與原子核物理專業(yè)