張永杰 余玉洪 周勇,3 孫志宇 方芳,4 陳俊嶺 劉杰

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批量塑閃單元條測試技術的研究

張永杰1,2余玉洪1周勇1,3孫志宇1方芳1,4陳俊嶺1劉杰1

1（中國科學院近代物理研究所 蘭州 730000）;2（西北師范大學 蘭州 730070）;3（中國科學院大學 北京 100049）;4（中國科學技術大學 合肥 230022）

尋找暗物質(zhì)粒子是目前最有影響力的前沿課題之一，廣泛受到世界各國重視。我國啟動了暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星(Dark Matter Particles Explorer, DAMPE)先導專項，致力研究這一科學問題。暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星有效載荷由塑閃陣列探測器(Plastic Scintillator Detector Array, PSD)、硅陣列探測器、BGO (Bi2O3-GeO2)量能器以及中子探測器組成，用于探測5 GeV?10 TeV高能電子、γ及重離子能譜。中國科學院近代物理研究所承擔了塑閃陣列探測器的研制工作，塑閃陣列探測器由82根塑閃單元模塊采用橫豎交叉結構組成，主要協(xié)助BGO量能器區(qū)分γ事件和電子事件，并作為硅陣列探測器的備份，探測=1?20的重離子事件。由于塑閃單元條模塊存在較大的差異，所以搭建了一套具有較高測試效率的塑閃單元條批量測試平臺，并對塑閃單元條進行宇宙線測試，得到其基本性能參數(shù)，如光衰減曲線、光衰減長度、相對光產(chǎn)額、能量分辨率以及探測效率。這為后續(xù)篩選出一致性較好并能滿足功能需求的82根單元條提供了依據(jù)。

塑料閃爍體，衰減長度，相對光產(chǎn)額，探測效率

暗物質(zhì)研究作為21世紀最有影響力的科學前沿課題之一，廣泛受到各國重視，各國投入大量人力、物力和財力集中研究這一課題?？臻g間接探測法是暗物質(zhì)粒子探測及屬性研究最為主要的方法之一。根據(jù)當前的物理理論模型，暗物質(zhì)粒子經(jīng)過衰變或者相互作用后產(chǎn)生穩(wěn)定的高能粒子，通過對這些粒子的能譜進行精確的測量，有可能揭開暗物質(zhì)的蹤跡之謎。為在空間探測暗物質(zhì)粒子方面取得突破，中國科學院啟動了暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星的研制。暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星為單一有效載荷衛(wèi)星，其有效載荷由塑閃陣列探測器(Plastic Scintillator Detector Array, PSD)、硅陣列探測器、BGO (Bi2O3-GeO2)量能器及中子探測器組成，主要目標是通過探測5GeV?10 TeV的高能電子、高能γ等宇宙射線的能譜來尋找暗物質(zhì)粒子并研究其屬性問題，同時通過對宇宙射線中重離子能譜的分析，研究宇宙線傳播和加速機制[1?2]。

中國科學院近代物理研究所承擔了其中塑閃陣列探測器的研制工作，其主要功能是用于協(xié)助BGO量能器區(qū)分入射高能電子和γ事件以及用于區(qū)別=1?20的重離子。為滿足上述功能需求，要求探測器能夠在具有較大的動態(tài)范圍的同時，對帶電粒子有高的探測效率和較好的能量分辨能力。由于整個探測器采用了橫豎交叉互為垂直的單元模塊化設計，并由82個獨立單元組成，因此要求每一個單元都能滿足如上功能需求。

其中，每個單元又主要由讀出器件光電倍增管和探測器介質(zhì)有機塑料閃爍體條組成。塑料閃爍體材料的型號為EJ-200，它由美國ELJEN公司負責生產(chǎn)，具有強的抗輻照特性、快的時間響應、長的衰減長度、光輸出高及易于加工等特性，因此被廣泛應用于空間探測項目，如AMS (Alpha Magnetic Spectrometer)、PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics)等。由于生產(chǎn)及加工工藝的條件不可能控制到完全相同，導致不同批次生產(chǎn)的單元條或同批次間加工的單元條性能上存在個體差異，具體表現(xiàn)在光衰減長度、光產(chǎn)額及粒子響應特性等參數(shù)數(shù)值不同，甚至有較大的差異，這就要求搭建測試平臺對批量塑料閃爍體條進行測試，選擇出一致性較好并滿足性能指標要求的單元條。

較為理想的測試方法是利用加速器提供的高能質(zhì)子或電子束作為射線源對單元條進行測試，但受限于實際條件，該方案不太可能實現(xiàn)。一種替代的方法是利用天然的宇宙線作為測試的射線源。在海平面上，宇宙線射線的主要成分為子，它是宇宙線原初粒子與大氣原子核相互作用后產(chǎn)生的次級介子衰變后的產(chǎn)物，具有壽命長、穿透能力強且速度接近光速等特性。在海平面上子的平均能量為3?4GeV[3]，蘭州海拔為1500 m，粗略認為子的平均能量稍高于在海平面能量，由于最小電離能區(qū)寬，到達蘭州的子仍被認為是最小電離粒子，當子垂直通過1 cm厚的塑閃單元條時，其沉積的能量約為2 MeV。利用宇宙射線作為射線源的缺點是單位時間內(nèi)單位面積的事例數(shù)很少致使測試效率低下（在海平面，垂直入射的宇宙射線強度約為0.8×10?2cm?2·s?1），如果每次只能對單根塑閃單元條單個擊中位置進行測試的話，需要耗費大量的研制時間致使研制進度無法滿足，因此迫切需要搭建一套操作方便、測試效率較高并具有批量測試能力，同時又能對光衰減長度、光輸出均勻性、最小電離粒子(Minimum Ionizing Particle, MIPs)的探測效率及MIPs的電荷測量分辨能力等測試項目進行測試的多功能需求測試平臺。

1 塑閃單元條批量測試平臺的搭建

如圖1所示，整個塑閃單元條測試平臺由探測器單元條模塊、前端讀出電子學(Front End Electronics, FEE)和上位機數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(Data Acquisition, DAQ)及數(shù)據(jù)分析等組成，這與之前的塑閃測試平臺[4]不同之處主要在于測試目標、被測塑閃單元條尺寸、輸出信號通道數(shù)量以及電子學探測器單元條模塊部分（包括了兩種不同尺寸類型的單元條）。一種是尺寸為884 mm×28 mm×10 mm的被測單元條模塊，共有24個，分別放置在上、中、下層，各層間距5 cm，同一層相鄰的單元條之間緊密排布，不同層之間的單元條互相平行且整體之間沒有錯位偏離；另一種是尺寸為34 mm×2 mm× 1mm觸發(fā)探測器單元條模塊，共有5組，每組由上下兩個互相平行的單元條模塊構成，5組觸發(fā)探測器沿被測塑閃單元條中間位置起0 cm、±17 cm、±34cm的位置處放置，并與之保持垂直，它的功能主要是用于定位宇宙射線的擊中位置。

圖1 塑閃單元條測試平臺示意圖

被測塑閃單元條模塊與觸發(fā)探測器單元模塊反射包裝材料均采用美國杜邦公司的Tyvek1056D，該材料相對于Tyvek其他類型包裝材料能夠明顯提升相對光產(chǎn)額[5]，外部進一步使用黑色熱縮管包裹，起到約束光傳輸和避光作用。被測塑閃單元條模塊與觸發(fā)探測器單元模塊都采用了雙端讀出方式，直接使用美國ELJEN公司生產(chǎn)的EJ-550硅脂耦合日本濱松公司生產(chǎn)的R4443MOD2光電倍增管，與塑閃陣列探測器采用的光電倍增管型號一致，使測試條件更接近實際情況。被測塑閃單元條模塊兩端的光電倍增管輸出第8打拿極信號，觸發(fā)探測器不僅輸出第8打拿極信號，還輸出了陽極信號。當MIPs擊中塑閃單元條時，傳輸?shù)焦怆姳对龉芄怅帢O的閃爍光經(jīng)光電效應轉換、倍增后，經(jīng)由打拿極輸出，送入前端電子學，經(jīng)過前置放大器、成形、采樣保持及模數(shù)變換等電路后送入獲取系統(tǒng)，經(jīng)由上位機儲存和分析。而觸發(fā)探測器輸出的另外一路陽極信號則被送入傳統(tǒng)的NIM插件，經(jīng)由美國ORTEC公司生產(chǎn)的定時恒分甄別器CF8000甄別成邏輯信號，每組的邏輯信號互相之間作符合運算，輸出的符合信號再與其余4組符合運算結果作或邏輯，最終得到的邏輯信號作為數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的觸發(fā)信號。

此外，對平臺所用的光電倍增管進行相對增益測量，得到其增益隨高壓的變化數(shù)據(jù)，據(jù)此給不同光電倍增管設置不同高壓得到較為一致的增益，既保證每組觸發(fā)探測器的觸發(fā)率較為接近，又使被測塑閃單元條雙端讀出的信號幅度有可對比性。為方便探測器單元條模塊的固定與定位，專門設計了探測器支架。利用該支架，可以實現(xiàn)擊中位置和入射角度的調(diào)整，同時，在外圍加上一個避光罩可以實現(xiàn)良好的避光作用。批量測試平臺每輪測試至少需要24 h，保證每根被測單元條的每個擊中點的有效事例數(shù)達到1300個以上，使統(tǒng)計誤差控制在3%以內(nèi)。

2 測試結果與討論

2.1 技術光衰減長度

有機閃爍體用于高能粒子和宇宙射線探測時，入射粒子會損失一部分能量，致使在粒子穿過路徑附近的分子電離、激發(fā)或離解，其中一部分激發(fā)能以不發(fā)光的方式散失掉，另一部分則通過產(chǎn)生熒光的形式實現(xiàn)退激發(fā)。熒光在閃爍體內(nèi)部傳輸時，會因為熒光自吸收、散射及表面反射等因素按負指數(shù)的規(guī)律逐漸衰減。在實際應用中，常用“技術光衰減長度”來衡量閃爍體自身透光性的好壞。定義為損失到初始熒光量1/e時所經(jīng)過的長度，它與閃爍體單元條自身的尺寸、幾何形狀、表面拋光和包裹的反射材料等都有關系，是反映有機塑料閃爍體性能的一個重要參數(shù)。越大，閃爍光衰減越小，傳輸?shù)絾卧獥l讀出端面的熒光數(shù)目就越多，通常希望該值越大越好。

通常有機閃爍體發(fā)出的閃爍光具有短波和長波兩種成分。對于狹長尺寸的閃爍體，短波成分由于發(fā)射光譜和吸收光譜幾近重疊而極易在單元條中傳輸時吸收掉，可以近似認為傳輸?shù)絾卧獥l讀出端面的都是長波這一種成分，可以用式(1)描述閃爍光在狹長單元條中的傳輸規(guī)律[6]：

式中，0為帶電粒子射線擊到閃爍體某一點后產(chǎn)生的熒光光子數(shù)；()為距擊中點為的熒光光子數(shù)；為技術光衰減長度。它可以用脈沖幅度法測量，即通過改變?nèi)肷淞Ｗ釉谒荛W單元條中的擊中位置，并在單元條同一讀出端面利用光電倍增管測量其信號脈沖的幅度。

通過我們搭建的塑閃單元條測試平臺，可以同時測量5個不同擊中位置的脈沖幅度信號，這樣做的優(yōu)點是可以消除外部環(huán)境溫度改變帶來的塑料閃爍體發(fā)光效率不同，即消除溫度效應對光產(chǎn)額的影響。圖2給出了不同擊中位置的脈沖幅度譜圖，其最可幾峰值(Most Probable Value,)可以由朗道分布函數(shù)與高斯分布函數(shù)的卷積擬合得到[7]。通過分析得到的擬合分析結果，可以得到不同擊中位置的能量分辨率。從已得到的所有被測單元條5個不同擊中位置的結果得知其能量分辨率均好于20%。

圖2 宇宙線擊中塑閃單元條中心位置處左端PMT讀出的信號（實線）和宇宙線擊中距塑閃單元條左端10 cm處左端PMT讀出的信號（點線）(a)，塑閃單元條中間位置的能量分辨率(b)

圖3給出了最可幾幅度值與擊中位置的關系。從圖3中可以看出，單元條不同擊中位置間的幅度值與位置的關系曲線是單調(diào)平滑的，這可以作為判斷包裝工藝好壞的一個判據(jù)。通過分析擊中位置的幅度值與擬合曲線的數(shù)值關系，可以剔除包裝不好的單元條。此外左右兩端光電倍增管所測得的技術光衰減長度數(shù)值稍有差異，導致的原因是大面積的塑閃材料在生產(chǎn)時不可能完全做到發(fā)光物質(zhì)在閃爍體內(nèi)部絕對均勻的摻雜。因此，在測試過程中，如果數(shù)據(jù)分析時發(fā)現(xiàn)兩端測量的技術光衰減長度相差很大，也將予以剔除。

在實際的選用過程中，除了要求所測得的技術光衰減長度與位置的關系曲線要單調(diào)平滑和雙端的數(shù)值不能有較大差異外，還需確定一個范圍，即技術光衰減長度的數(shù)值不能小于該值。對于塑閃陣列探測器，當宇宙射線中的子穿過1 cm厚的塑閃單元條時，沉積的能量約為1MIP，由于單元條是狹長形的，兩端讀出的光倍管距離較遠，當子在擊中單元條一端時，考慮到前端電子學的靈敏度，希望遠端光倍管輸入的信號幅度至少大于0.3MIP能量沉積產(chǎn)生的等效信號大小。根據(jù)式(1)，可以計算得到所要求的技術光衰減長度至少要大于0.83，其中為單元條的長度。對185根塑閃單元條進行了批量測試，最終選擇出了滿足技術光衰減長度判據(jù)的163根單元條。由圖4(a)，斜線直方圖表示185根單元條，點斜相交部分表示163根單元條；由圖4(b)，斜線直方圖表示185根單元條，點斜相交分布表示153根單元條。

圖3 MPV值與宇宙線擊中位置關系圖

圖4 衰減長度(a)和均勻性分布圖(b)

此外，還可通過分析不同擊中位置的相對光產(chǎn)額，分析單元條的均勻性。相對光產(chǎn)額定義為[5]，其中L為子擊中單元條某一位置時左端光電倍增管(Photomultiplier Tube, PMT)信號的脈沖幅度大小，R則為右端PMT的信號脈沖幅度大小。比較對稱的兩個擊中位置相對光產(chǎn)額差值與中間位置相對光產(chǎn)額的比值，可以衡量被測單元條自身的均勻性，根據(jù)物理設計要求，該比值小于5%。通過批量數(shù)據(jù)，選擇出滿足該判據(jù)的156根單元條。

2.2 探測效率

塑閃陣列探測器的主要功能之一是作為反符合探測器，這就要求塑閃單元條對高能帶電粒子有較高的探測效率，從而避免將高能電子事例誤判為高能伽瑪事例。根據(jù)有效載荷物理總體的技術要求，單根塑料閃爍體單元條的探測效率要大于95%。由于高能電子在塑閃單元條中的主要能損為電離能量損失，與宇宙射線中的子能損方式及大小相當，在沒有高能電子束的條件下，可以利用子替代高能電子束對單元條的探測效率進行測試。

對塑料閃爍體單元條探測效率傳統(tǒng)的測試方法是在塑料閃爍體單元條上下各放置一個小閃爍體探測器（小閃爍體探測器的面積要足夠?。@樣可以保證入射粒子穿過上下兩個小閃爍體探測器時，必然穿過被測塑閃單元條，通過小閃爍體和單元條的三重符合計數(shù)和小閃爍體的二重符合計數(shù)之比，即可得到某一擊中位置的探測效率。要得到不同擊中位置的探測效率，通過移動兩個小閃爍體的位置即可實現(xiàn)。利用圖1搭建的測試平臺，每組觸發(fā)探測器的寬度僅為2 cm，遠小于被測塑閃單元條的長度，而與單元條垂直方向觸發(fā)探測器的長度為34cm，則遠大于塑閃單元條的寬度。這樣導致在進行離線數(shù)據(jù)分析時，如果僅用擊中每組的觸發(fā)探測器作為入射子的總計數(shù)，單元條與每組觸發(fā)探測器的符合計數(shù)作為實際觀測到的入射子數(shù)，所計算得到的探測效率不是真實的探測效率，原因是在幾何空間上穿過觸發(fā)探測器的子并沒有穿過被測單元條。

如圖5所示，斜入射事件2在幾何空間上穿過觸發(fā)探測器時并不一定穿過被測單元條。為得到塑閃單元條真實的探測效率，在幾何空間上要保證入射子在經(jīng)過觸發(fā)探測器的同時必然經(jīng)過被測塑閃單元條，這就要求離線分析時篩選出垂直入射子事件作為總入射粒子計數(shù)。首先按圖5所示，將三層共計24根塑閃單元條進行編號。從圖5中可以看出，第二層塑閃單元條上下有相互平行相同尺寸大小的塑閃單元條并且沒有錯位偏移，利用上下塑閃條對宇宙射線進行卡窗，可以保證所選擇的宇宙線是垂直入射的。第二層塑閃單元條探測效率公式為：

式中，S為第二層某一塑閃單元條；S?8和S+8分別為S上下互相平行對應的塑閃條。分母代表宇宙線入射事件總計數(shù)，分子代表第根塑閃單元條探測到的有效事件計數(shù)。

圖5 反符合方法測試探測效率示意圖

Fig.5 Layout of measuring detection efficiency with anticoincidence method.

對于第一層和第三層的單元條，在空間排布上具有很好的對稱性，這意味著該兩層的單元條的探測效率計算方法是一致的，以圖5中所示第3根單元條探測效率的計算為例，僅靠觸發(fā)探測器、11根和19根塑閃單元條對宇宙線進行卡窗并不能完全保證宇宙線是垂直入射的，圖5中事件2在穿過觸發(fā)探測器、11根和19根單元條時并沒有穿過3根塑閃單元條。因此如果僅使用式(2)的卡窗條件計算3根單元條的探測效率，由于沒有辦法完全排除斜入射事件，致使式(2)中的分母增大，所計算得到的第一層和第三層的塑閃單元條的探測效率比真實探測效率偏小。因此需要重新考慮選擇合適的卡窗條件，擬增加3根單元條附近的單元條進行反符合選擇，使斜入射事件得到充分排除，確保入射事件為垂直入射事件，這樣第一層塑閃的探測效率的計算公式可改寫為：

其中，!anticoin為各反符合項乘積，其具體表達式為：

對于第一層邊上的兩根單元條，即第1根和第8根塑閃單元條不適合使用式(3)計算探測效率，原因是第1根單元條的左側和第8根單元條的右側沒有相應的塑閃單元條可以利用進行對斜入射事件的排除。因此，式(3)僅適用于第2?7根塑閃單元條探測效率的計算。由于對稱性，第三層塑閃單元條探測效率計算方法同第一層單元條相同，當然，兩側邊上的兩根單元條的探測效率也無法通過式(3)計算得到。

應用式(2)和(3)對平臺24根塑閃單元條的探測效率進行計算得到如圖6所示的結果。結果顯示排在第二層第9?16根塑閃單元條5個不同觸發(fā)位置的探測效率都很高，有的單元條探測效率達到100%，說明利用式(2)計算第二層塑閃探測效率時，基本能保證入射子事件是垂直入射的。排在第一層第2?7根和第三層第18?23根單元條探測效率均在95%?98%，這些單元條的探測效率整體上比第二層偏低。其原因是在測試平臺安裝塑閃單元條的實際過程中，由于兩端耦合讀出光電倍增管的分壓電路外部屏蔽盒的尺寸比被測單元條的寬度大，致使相鄰的單元條之間存在2 mm的縫隙，造成了探測死區(qū)，即不能靠兩側單元條的反符合完全消除斜入射事件，造成這些單元條計算得到的探測效率比真實探測效率小，但所得到的計算結果仍滿足總體給出的技術要求。此外，第一層和第三層最外側的4根單元條由于只有一側有相鄰的單元條，而總的觸發(fā)探測器的長度要比一層內(nèi)8根單元條的總寬度寬，致使單元條另一側入射的斜入射事件無法排除，使用式(3)計算探測效率時得到的探測效率值低，對該值不予采用，在下一輪測試中可以將這4根單元條放置在其余位置，進行第二輪重新測試，得到其探測效率。

圖6 測試平臺各個測試通道的塑閃單元條探測效率

3 結語

在實驗室成功搭建了一套塑閃單元條批量測試平臺，大幅度提高了測試效率。利用該測試平臺，可以同時得到20根塑閃單元條的技術光衰減曲線及長度、探測效率、能量分辨率和相對光產(chǎn)額等性能參數(shù)，并挑選出了滿足塑閃陣列探測器最終需求的塑閃單元條。這為后續(xù)的整個探測器系統(tǒng)下一步研制工作提供了可靠的科學數(shù)據(jù)，并保證了整個研制計劃按節(jié)點順利進行。

1 常進. 暗物質(zhì)粒子探測：意義、方法、進展及展望[J]. 工程研究——跨學科視野中的工程, 2010, 2(2): 95?99. DOI: 10.3724/SP.J.1224.2010.00095 CHANG Jin. Dark matter particles detection in space[J]. Journal of Engineering Studies, 2010, 2(2): 95?99. DOI: 10.3724/SP.J.1224.2010.00095

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7 Pernegger H, Markus Friedl. Langaus C: convoluted landau and gaussian fitting function[EB/OL]. http://root.cern.ch/root/html534/tutorials/fit/langaus.C.html, 2014-08-20

Development of a test bench for plastic scintillator counters for the DAMPE

ZHANG Yongjie1,2YU Yuhong1ZHOU Yong1,3SUN Zhiyu1FANG Fang1,4CHEN Junling1LIU Jie1

1(Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China);2(Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China);3(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China);4(University of Science & Technology of China, Hefei 230022, China)

Background: Plastic scintillator detector array (PSD), developed by Institute of Modern Physics,Chinese Academy of Sciences (IMPCAS), is one of the most important parts in the payload of Dark Matter Particles Explorer (DAMPE) which is mainly used for the study of dark matter. As an anti-coincidence detector, and a charged-particle identification detector, the PSD is composed by 82 plastic scintillator counters.Purpose: Due to the difference among a batch of scintillator counters, it is necessary to develop a test bench with high test efficiency and also to obtain their performance, such as uniformity of light output, light attenuation length, peak of Minimum Ionizing Particle (MIPs) and detection efficiency simultaneously. Methods: A high-efficiency test bench, including electronic modules, data acquisition, analysis system,, has been constructed to study the characteristics of 24 scintillator counters with cosmic rays. Individual trigger module with dimensions of 34 cm×2 cm×1 cm has been set up at different points of ±34 cm, ±17 cm and 0 cm. With this test bench, the light attenuation length and other main parameters of 20 counters have been investigated. Results and Conclusion: Through the high-efficiency test bench, data of 20 scintillator counters could be obtained simultaneously. After analysis of 185 counters’ data, we can select 82 counters which fulfill all technology parameters provided by DAMPE and use in PSD.

Plastic scintillator counter, Attenuation length, Relative light yield, Detection efficiency

TL812+.1

TL812+.1

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.080403

中國科學院戰(zhàn)略性先導專項暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星塑閃陣列探測器子課題(No.XDA04040202-3)資助

張永杰，男，1988年出生，現(xiàn)為中國科學院近代物理研究所與西北師范大學聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生，從事核探測器研究

余玉洪，E-mail: yuyuhong@impcas.ac.cn

2015-03-03，

2015-05-08