王 珂 宋海聲 方 芳 余玉洪 唐述文 劉相滿 孫志宇馬 朋 楊賀潤 王世陶 章學(xué)恒 閆 鐸 張永杰

1（西北師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院 蘭州 730070）

2（中國科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000）

3（中國科學(xué)院大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 北京 100049）

4（蘭州大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 蘭州 730000）

遠(yuǎn)離β穩(wěn)定線附近豐中子核結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的研究是當(dāng)前核物理研究前沿領(lǐng)域之一［1］，對豐中子核尤其是幻數(shù)附近豐中子核的研究有助于人們更好地理解原子核的演化規(guī)律和核間的相互作用［2-4］。利用中高能重離子束流轟擊初級反應(yīng)靶產(chǎn)生碎裂產(chǎn)物是獲得豐中子核的常用方法之一，通過中高能放射性束流開展實(shí)驗(yàn)研究的優(yōu)點(diǎn)之一是碎裂后的反應(yīng)產(chǎn)物主要集中在前角區(qū)，這樣僅需較小立體角的探測器就可以實(shí)現(xiàn)對帶電粒子碎片、中子和γ 等最終反應(yīng)產(chǎn)物全范圍覆蓋的符合測量。這種多物理參量同時(shí)測量的實(shí)驗(yàn)方法又稱為完全運(yùn)動(dòng)學(xué)測量方法［5］，需要研制大型外靶實(shí)驗(yàn)裝置，這類實(shí)驗(yàn)裝置一般采用磁譜儀構(gòu)型，根據(jù)反應(yīng)產(chǎn)物在大口徑二極磁鐵中偏轉(zhuǎn)行為的不同表現(xiàn)，對帶電粒子和中性粒子進(jìn)行初步選擇，其后通過組合、聯(lián)合不同功能的探測器進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)粒子種類的鑒別和運(yùn)動(dòng)學(xué)完全參量的測量。國際上典型的實(shí)驗(yàn)裝置包括密歇根州立大學(xué)國家超導(dǎo)環(huán)形加速器實(shí)驗(yàn)室（Michigan State University National Superconducting Cyclotron Laboratory，MSU）的模塊化中子陣列（Modular Neutron Array，MONA）［6］、德國亥姆霍茲重離子研究中心（GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH）的新型大面積中子探測器（New Large-Area Neutron Detector，NeuLAND）［7］及中國蘭州重離子加速器（Heavy Ion Research Facility，HIRFL）冷卻儲(chǔ)存環(huán)第二條放射性束流（CSR-RIBLLII）的外靶實(shí)驗(yàn)終端（External Target Facility，ETF）［8］。

反符合（Veto）探測器是CSR-RIBLLII外靶實(shí)驗(yàn)終端中的關(guān)鍵設(shè)備之一，與放置在它正后方的中子墻探測器聯(lián)合實(shí)現(xiàn)中高能中子的測量。中子墻探測器選用了大尺寸塑料閃爍體作為主要探測器的靈敏介質(zhì)材料，采用圖像量能器構(gòu)型設(shè)計(jì)，基于飛行時(shí)間測量方法進(jìn)行中高能中子的高探測效率和高能量分辨測量。Veto探測器的主要功能是降低或去除帶電粒子本底被誤判為中子的概率，這是因?yàn)橹凶拥奶綔y是通過其與靈敏介質(zhì)中原子核相互作用后產(chǎn)生的次級帶電粒子實(shí)現(xiàn)的，僅靠中子墻探測器無法剔除帶電粒子本底的影響。Veto探測器的工作原理是當(dāng)采用薄型低原子序數(shù)（Z）作為靈敏介質(zhì)材料時(shí)，目標(biāo)能區(qū)的中子具有極強(qiáng)的穿透能力，擊中時(shí)基本不產(chǎn)生有效信號，而對帶電粒子卻具有很高的探測效率，這樣便可以利用信號的有無區(qū)分中子和帶電粒子本底。可以看出，影響Veto探測器性能的關(guān)鍵因素是靈敏探測器的厚度和對帶電粒子的探測效率。因此，在設(shè)計(jì)厚度時(shí)，反映Veto 探測器性能的主要指標(biāo)是能否實(shí)現(xiàn)對帶電粒子較高的探測效率要求，即對帶電粒子的反符合效率越高，被誤判為中子的概率也越小。

外靶實(shí)驗(yàn)終端原有的Veto 探測器采用有機(jī)塑閃材料以及雙端耦合光電倍增管（Photomultiplier，PMT）的讀出方案，為了匹配其后置的中子墻探測器，單元條的有效幾何尺寸為150cm×8cm×0.5cm。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，此種Veto 探測器的反符合效率較低，分析是Veto 單元條的邊緣效應(yīng)造成的，因?yàn)?.5cm 厚度的探測器對于輕帶電粒子能損較低，即產(chǎn)生的閃爍光子數(shù)目較少，越靠近邊緣產(chǎn)生的閃爍光子由于較長的傳輸距離和較為苛刻的空間立體角限制難以傳輸至兩端，最終造成越靠近邊上的探測效率越低，且最小電離粒子（Minimum Ionizing Particles，MIPs）擊中不同位置的Veto探測器和PMT的電壓也均會(huì)影響Veto探測器的探測效率。圖1是MIPs 在不同位置的探測效率曲線圖，可以看出，在兩端都有有效讀出計(jì)數(shù)（邏輯與）時(shí)，中間位置的Veto效率明顯高于兩端，在更高的PMT工作電壓下探測效率更高，這表明Veto 效率與擊中位置相關(guān)，也與PMT 的工作電壓相關(guān)。但長時(shí)間過高的工作電壓會(huì)損傷PMT的壽命，同時(shí)導(dǎo)致暗電流計(jì)數(shù)大幅度增加，對測量結(jié)果造成不利影響。因此，需要對Veto探測器進(jìn)行技術(shù)升級。

圖1 不同電壓下原有5mm厚度的Veto探測器單元條5個(gè)不同位置的探測效率Fig.1 Detection efficiency of 5 different positions of the original 5mm thickness Veto detector unit strip under different voltages

綜合對比后，擬在塑料閃爍體材料中嵌入波長位移轉(zhuǎn)換光纖（Wave Length Shifter Fiber，WLS）光纖［9］，并采用硅光電倍增管（Silicon Photomultiplier，SiPM）讀出方案［10］。WLS光纖是一種特殊的導(dǎo)光光纖［11］，它由發(fā)綠光的光纖表層材料和不發(fā)光的光纖纖芯材料組成，通常與有機(jī)塑料閃爍體配合使用，其工作原理是吸收閃爍體發(fā)出的藍(lán)光波段的熒光光子，并將其轉(zhuǎn)換成綠光波段。使用時(shí)直接將其貼在閃爍體側(cè)面或者嵌入閃爍體內(nèi)部進(jìn)行閃爍光的收集，能極大提高探測器的探測效率和光輸出均勻性等性能。選擇SiPM讀出的主要原因是嵌入WLS光纖后，傳輸?shù)焦饫w兩端的閃爍光子總數(shù)量少，相比于一般PMT 對單光子分辨能力較差，而SiPM 對單光子有非常好的單光電子分辨能力，因此在弱光探測場合中具有更大的優(yōu)勢［12］。同時(shí)，SiPM作為一種半導(dǎo)體型光電器件，還具有增益高、靈敏度高、偏置電壓低、對磁場不敏感、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)［13］，在粒子物理和核物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用也日益廣泛。

綜上所述，采用此方案的Veto 探測器，在具備高探測效率的同時(shí)更容易解決原有方案均勻性較差的問題，嵌入WLS 光纖結(jié)合SiPM 讀出的方案能大幅提高不同入射位置Veto 的均勻性并有效減少靈敏死區(qū)。因此，對現(xiàn)有外靶實(shí)驗(yàn)終端實(shí)驗(yàn)裝置性能的提升有重要的意義。本文將介紹該種新型的Veto探測器結(jié)構(gòu)，并對嵌入15、7、3根WLS 光纖的Veto探測器性能進(jìn)行研究，得到其探測效率等關(guān)鍵參數(shù)，為外靶下一步技術(shù)升級提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 Veto探測器的結(jié)構(gòu)

研制的新型Veto 探測器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。該探測器由三部分組成：Veto探測器單元模塊、WLS 光纖、SiPM 讀出器件。Veto 探測器單元條模塊尺寸為150cm×8cm×1cm，材料選擇的是ELJEN公司生產(chǎn)的塑料閃爍體EJ-200［14］，性能參數(shù)為光輸出64% Anthracene、閃爍效率10000光子/1MeV·e-、最高概率發(fā)射波長425nm、光衰減長度380cm、上升時(shí)間0.9ns、衰減時(shí)間2.1ns、折射系數(shù)1.58。在Veto 單元條模塊中開槽并嵌入的直徑為1mm 的WLS 光纖，選用了圣戈班公司生產(chǎn)的BCF-92 產(chǎn)品［15］，其主要參數(shù)如表1所示。這種光纖由發(fā)綠光的光纖包層聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl Methacrylate，PMMA）材料和不發(fā)光的光纖纖芯聚苯乙烯（Polystyrene，PS）材料組成，因此具有較長的衰減長度，比150cm的Veto塑閃單元條的長度大兩倍；SiPM 所選擇的型號為日本濱松公司的S13360-6050CS［16］，靈敏面積為6mm×6mm，主要性能見表2。為了對閃爍光子進(jìn)行更好收集，嵌入的WLS 光纖從Veto 單元條模塊兩端拉出一定距離后匯聚在一起。同時(shí)，為了消除WLS 和SiPM 端面間的空氣間隙，進(jìn)一步提高閃爍光的有效收集效率，在結(jié)構(gòu)上利用光學(xué)耦合劑將WLS和SiPM端面進(jìn)行耦合。

表1 波長位移光纖參數(shù)Table 1 Wave length shifter fiber (WLS) parameters

表2 SiPM參數(shù)Table 2 Silicon photomultiplier parameters

圖2 在Veto探測器中嵌入15根WLS并使用SiPM讀出示意圖Fig.2 Schematic diagram of embedding 15 WLSs in Veto detector and read out by SiPM

2 Veto探測器探測效率的標(biāo)定

2.1 SiPM單光子的線性刻度

為了對SiPM的性能進(jìn)行細(xì)致研究，本文設(shè)計(jì)了一套基于LED 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置，測試框圖如圖3所示。LED驅(qū)動(dòng)器選用CAEN公司的SP5601［17］，其典型的特征如下：脈沖寬度為8ns，發(fā)出的峰值波長為400nm，可提供內(nèi)部/外部兩種觸發(fā)方式，可調(diào)節(jié)發(fā)光強(qiáng)度，并可由一根光纖連接到被測設(shè)備端面。測試過程中，將LED 的光輸出光纖耦合至SiPM 的靈敏面積端面。由于SiPM 單光電子的信號在倍增后幅度仍然較小，無法和現(xiàn)有的商用ADC的量程進(jìn)行很好匹配。因此，SiPM輸出的信號需要經(jīng)過兩級放大器連續(xù)放大。其中前置放大器由中國科學(xué)院近代物理所核電子學(xué)組自行研制，第二級主放大器為德國MESYTEC 生產(chǎn)的MDS-8。測試過程中使用的ADC 為CAEN V785N，其量程為4V，對應(yīng)的最大ADC道數(shù)為4096道。

圖3 LED系統(tǒng)測試SiPM單光子分辨的實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Experimental setup for testing SiPM single-photon resolution of LED systems

在測試之前，對核電子學(xué)組自主研發(fā)的放大器和MDS-8主放大器進(jìn)行統(tǒng)一的放大倍數(shù)刻度。刻度方法如下：通過Tektronix AFG3252脈沖發(fā)生器輸出一定幅度的信號并送進(jìn)兩級放大器件，在示波器上讀出輸出的幅度，再次改變輸出信號的幅度，間隔測量，最后對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，便可得到兩級放大器的倍數(shù)。測量結(jié)果見表3，通過擬合得到兩級放大的總放大倍數(shù)為23.2。

表3 放大倍數(shù)測試Table 3Magnification test

在測試過程中，首先使用EJ-550 光學(xué)硅脂將LED 的光纖與SiPM 進(jìn)行耦合，以減少光子在光纖和SiPM之間的損失；然后通過定制的固定夾具對整套實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行固定，減少光纖彎曲對光子傳輸?shù)挠绊?；最后使用遮光布對整套?shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行避光處理，防止自然光等其他因素對測試結(jié)果造成干擾。將SiPM工作電壓設(shè)定為56V，并通過調(diào)節(jié)旋鈕，調(diào)節(jié)LED 的發(fā)光強(qiáng)度至極弱水平，測得的SiPM 單光電子電荷譜如圖4所示。對測得的電荷幅度譜進(jìn)行高斯擬合并尋峰可以得到SiPM 對不同的光電子峰具有良好的分辨能力。其中，不同的峰代表不同的光電子數(shù)目。隨著LED發(fā)光強(qiáng)度的增加，高斯擬合得到SiPM 不同光電子能譜的峰值與光電子數(shù)成正比，即SiPM 對入射光子具有良好的線性響應(yīng)，結(jié)果如圖5所示。結(jié)合SiPM單光子與ADC道數(shù)的線性關(guān)系，可反推得到不同道數(shù)下SiPM 在56V 工作電壓下靈敏區(qū)域接受的光子數(shù)，進(jìn)而確定Veto 探測器在耦合WLS 和SiPM 情況下能夠接收的光子數(shù)，為測試Veto探測器的探測效率奠定基礎(chǔ)。

圖4 LED照射SiPM時(shí)的單光電子電荷譜Fig.4 Single photoelectron charge spectrum of SiPM illuminated by LED

圖5 SiPM光子數(shù)與ADC道數(shù)的線性關(guān)系Fig.5 Linear relationship between the number of SiPM photons and ADC channels number

2.2Veto探測效率測試平臺(tái)

2.2.1 測試平臺(tái)的結(jié)構(gòu)

一般的探測效率測量方法是將被測探測器放置于上下的兩重或多重觸發(fā)探測器中間，通過計(jì)算不同重?cái)?shù)符合率的比例得到待測探測器的探測效率［18］。但是對于大靈敏面積探測器，直接利用該方法存在測試效率過低、測試時(shí)間過長、無法測試特殊形狀的探測及本底粒子干擾強(qiáng)等缺點(diǎn)［19］，因此，為了對該新型Veto 探測器單元的探測效率等性能參數(shù)進(jìn)行研究，本文研制了一套利用地面附近的宇宙射線基于MWPC 的位置靈敏探測器測試平臺(tái)。該平臺(tái)很好地利用了宇宙射線如下優(yōu)勢，其一是宇宙射線分布廣泛且主要成分是μ 子，常用于探測器尤其是大靈敏面積探測器研究的免費(fèi)輻射粒子源；其二是它的能量非常高，平均能量在3～4 GeV，處于MIPs 能量段，當(dāng)它穿透Veto 探測器時(shí)，在其中沉積的能量為最小電離能量損失，用其測試得到的能量分辨可以代表探測器的最差能量分辨水平，可以得到的帶電粒子探測效率為最低探測效率。搭建的Veto 探測器單元性能測試平臺(tái)如圖6所示，該平臺(tái)主要由觸發(fā)探測器、位置靈敏型探測器、讀出電子學(xué)及數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)（Data Acquisition Card，DAQ）等幾部分組成。

圖6 MWPC測試平臺(tái)實(shí)物圖Fig.6 Physical snapshot of the multiwire proportional chamber test platform

測試平臺(tái)共包括兩個(gè)觸發(fā)探測器，分別放置在平臺(tái)的頂部和底部，主要功能是提供DAQ系統(tǒng)的觸發(fā)信號，并為位置探測器MWPC 提供參考時(shí)間零點(diǎn)。其主體由兩塊200mm×200mm×10mm的有機(jī)塑料閃爍體組成，探測器靈敏介質(zhì)材料的型號為ELJEN公司的EJ-200。為了更好實(shí)現(xiàn)有機(jī)塑料閃爍體和讀出器件PMT 二者間的匹配，利用PMMA 加工了專門用于形狀過渡的光導(dǎo)。其中，使用PMT的型號為日本濱松公司（Hamamatsu）的R7724。為了提高閃爍體材料中熒光的收集效率，在有機(jī)塑料閃爍體及光導(dǎo)的表面分別包覆了光學(xué)反射材料Tyvek紙和Teflon膜。同時(shí)，為了避免自然光的干擾，在反射材料外面又包覆了黑膠帶。

位置靈敏探測器采用多絲正比室技術(shù)路線研制完成。為了得到一個(gè)有效徑跡，共研制了3個(gè)MWPCi（i=1，2，3），放置在兩個(gè)觸發(fā)探測器內(nèi)側(cè)，從上到下平行放置，依次為MWPC1、MWPC2和MWPC3。其中，MWPC1和MWPC3之間的垂直距離是372mm，MWPC2和MWPC3之間的垂直距離是98mm。每個(gè)MWPC 探測器的靈敏面積均為12cm×12cm，采用了兩層陰極絲面夾一層陽極絲面的三層構(gòu)型設(shè)計(jì)。陽極絲面與兩側(cè)陰極絲面的板間距均為4mm。它采用了斜絲布局，與陰極絲面的夾角為45°。每根陽極絲之間的間距為2mm，選用了絲徑為15μm的金鎢絲。為了實(shí)現(xiàn)二維位置信號讀出，兩側(cè)的陰極絲面采用相互正交設(shè)計(jì)。每根陰極絲之間的間距為0.5mm，選用了絲徑為30μm 的不銹鋼絲。為了節(jié)約電子學(xué)的通道，每4根陰極絲并為一路引出信號，即兩路陰極絲的間距為2mm。每兩路陰極絲之間有一個(gè)延遲時(shí)間為2ns 的延遲塊，最后通過延遲塊的兩端讀出MWPCi的時(shí)間信號［20］。另外，每個(gè)MWPCi采用了P10（Ar 90%+CH410%）混合氣體作為工作氣體，工作方式為流氣式。測試裝置的讀出電子學(xué)及DAQ系統(tǒng)由傳統(tǒng)的NIM及VME產(chǎn)品組成。上、下兩個(gè)觸發(fā)探測器PMT輸出的脈沖信號經(jīng)過ORTEC CF8000 恒分甄別器后，其中一路送入到ORTEC CO4020 邏輯符合插件作邏輯與運(yùn)算，符合后的邏輯信號作為電荷數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Charge-to-Digitial，QDC）的門信號和時(shí)鐘數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Time-to-Digitial，TDC）的公共起始時(shí)間，另一路則經(jīng)過ORTEC DL8000 延遲后進(jìn)入TDC 模塊記錄時(shí)間信息。前述TDC為CAEN公司生產(chǎn)的V755，量程設(shè)置為800ns，對應(yīng)每道的數(shù)值為195 ps，QDC為CAEN公司生產(chǎn)的V965，在實(shí)驗(yàn)中選擇的量程范圍為900 pC。MWPCi X、Y兩個(gè)方向陰極絲面的讀出信號在從兩端引出后，先后通過ORTEC快時(shí)間放大器FTA820C 和FTA820B 進(jìn)行20倍和200倍的兩級放大，放大后的信號送入CF8000 進(jìn)行甄別、經(jīng)DL8000延遲后送入TDC模塊中記錄時(shí)間信息。

Veto 探測器單元放置在MWPC1和MWPC2之間，并通過TDC和QDC插件記錄時(shí)間和幅度信息。根據(jù)被測探測器輸出的原始脈沖信號的實(shí)際幅度大小，可以選擇不同增益的放大器進(jìn)行動(dòng)態(tài)范圍匹配。由于被測探測器的幅度信息是通過QDC記錄的，需要通過延遲線對模擬信號進(jìn)行延遲。整個(gè)測試平臺(tái)的電子學(xué)框圖如圖7所示。

圖7 電子學(xué)測試框圖Fig.7 Electronics test block diagram

2.2.2 平臺(tái)測試方法

利用該平臺(tái)，可以進(jìn)行宇宙射線徑跡的挑選。當(dāng)宇宙射線穿過MWPC 產(chǎn)生響應(yīng)的同時(shí)也穿過Veto 探測器時(shí)，被認(rèn)為是一條有效徑跡。數(shù)據(jù)分析的方法主要包括兩個(gè)步驟：1）MWPCi的T-P（時(shí)間-位置）關(guān)系刻度；2）有效徑跡的挑選。由于MWPCi是完全一樣的探測器且每個(gè)探測器的X方向和Y方向尺寸相同并采用了同樣絲構(gòu)型的設(shè)計(jì)，因此，它們的T-P刻度方法是一樣的。下面將以MWPC1的X方向進(jìn)行T-P刻度關(guān)系舉例說明。

TDC 測量得到MWPC1探測器的兩端時(shí)間差原始譜如圖8（a）所示。為了得到時(shí)間與擊中位置的關(guān)系以入射粒子擊中MWPC1探測器X方向的幾何中心點(diǎn)為參考零點(diǎn)，則兩端最邊緣處的位置分別為x1=-60mm和x1'=60mm，此時(shí)對應(yīng)了兩個(gè)時(shí)間差最值Δt1和Δt1'，對圖8（a）原始譜進(jìn)行微分運(yùn)算、取絕對值及平滑處理，最后再進(jìn)行高斯擬合得到的兩個(gè)中心峰值則是Δt1、Δt1'，結(jié)果如圖8（b）所示。由于MWPC1探測器X方向的時(shí)間差與擊中位置之間具有線性關(guān)系，利用線性公式（1）和（2）求解出參數(shù)k和b的值，實(shí)現(xiàn)MWPC1探測器X方向的T-P關(guān)系刻度，結(jié)果如圖8（c）所示。

圖8 MWPC1兩端時(shí)間差譜(a)，MWPC1兩端時(shí)間差譜進(jìn)行微分及取絕對值后計(jì)算得到的譜圖(b)，MWPC1 X方向進(jìn)行T-P關(guān)系轉(zhuǎn)換后的位置譜(c)Fig.8 Time difference spectrum at both ends of MWPC1 (a),spectrum calculated after differential and absolute value of the time difference spectrum at both ends of MWPC1 (b), position spectrum of MWPC1 after T-P relationship transformation in X direction (c)

在實(shí)現(xiàn)步驟一T-P關(guān)系刻度后，下一步需要進(jìn)行入射粒子擊中有效徑跡的挑選。采用的方法是在MWPCi探測器X方向和Y方向分別重構(gòu)一條二維直線在XOZ坐標(biāo)面和YOZ坐標(biāo)面的投影方程，聯(lián)立之后便得到三維徑跡。同樣，由于MWPCi探測器X方向和Y方向構(gòu)型設(shè)計(jì)完全相同，下面將以X方向?yàn)槔f明。通過T-P關(guān)系的刻度，可以得到入射粒子穿過MWPCi3層X方向陰極絲記錄的三個(gè)位置擊中點(diǎn)坐標(biāo)XMWPC1、XMWPC2、XMWPC3。Z方向的三個(gè)位置坐標(biāo)點(diǎn)以MWPCi的物理安裝位置為基準(zhǔn)測量得到，測量是以MWPC3探測器的底板平面為參考位置點(diǎn)（Z=0），測量得到MWPCi探測器X絲面到參考零點(diǎn)位置的垂直距離Zi（i=1，2，3），如圖9所示。確定坐標(biāo)（XMWPCi，Zi）后，把式（1）、（2）求得的參數(shù)k、b代入直線擬合公式（3）計(jì)算得到各MWPC探測器的擊中位置，XOZ面的擬合結(jié)果如圖10所示。

圖9 各層絲面到Z=0的垂直距離示意圖Fig.9 Schematic diagram of the vertical distance from Z=0 to each layer of silk surface

圖10 XOZ平面三個(gè)位置點(diǎn)擬合的直線且符合條件的有效徑跡Fig.10 The straight line fitted by the three position points on the XOZ plane and the effective diameter that meets the conditions

3 Veto探測器測試結(jié)果與討論

3.1 探測效率測試方法

通過研制的MWPC測試平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)對被測探測器總的探測效率及各部分探測效率的研究。為了得到被測探測器各部分的探測效率，可以將被測探測器的靈敏面積劃分成M×N個(gè)方格（即X方向劃分成M份，Y方向劃分成N份），根據(jù)式（4）即可計(jì)算得到各方格內(nèi)的有效探測效率。

式中：nij為X方向第i個(gè)以及Y方向第j個(gè)方格內(nèi)被測探測器統(tǒng)計(jì)的有效擊中數(shù)目；Nij則為被測探測器擊中X方向第i個(gè)以及Y方向第j個(gè)方格時(shí)穿過的有效徑跡數(shù)目。

而對于總的探測效率，可以很容易通過式（5）求得：

式中：Nt為被測探測器總的有效擊中事件數(shù)目；Σij∈DNij為被測探測器所有方格內(nèi)總的有效徑跡數(shù)。

3.2 測試結(jié)果與分析

將嵌入15、7、3根WLS光纖的Veto探測器放置于MWPC1和MWPC2之間，并從上到下依次安裝固定進(jìn)行統(tǒng)一測試。首先，測試Veto單元條的中間位置，當(dāng)宇宙射線穿過測試平臺(tái)及Veto 單元條后，測試平臺(tái)中的MWPCi和Veto 單元條分別送入不同的電子學(xué)通道進(jìn)行處理與記錄。由于被測單元條在宇宙射線擊中后所產(chǎn)生的閃爍光僅很少的比例會(huì)進(jìn)入WLS 中進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換，并最終傳輸?shù)絻啥说淖x出SiPM，因此，需要對SiPM輸出的原始模擬信號進(jìn)行放大以適應(yīng)電子學(xué)的動(dòng)態(tài)量程范圍，電子學(xué)測試框圖如圖7所示。SiPM分別測得埋入15、7、3根WLS光纖三個(gè)Veto單元條的兩端信號，為了方便記錄，6個(gè)SiPM 信號命名為：15_N、15_S、7_N、7_S、3_N、3_S，如圖11是7_N、7_S 的QDC 電荷幅度譜，黑色表示7_N 信號、藍(lán)色則是7_S 的幅度、紅色是7_N、7_S 的朗道擬合，最可幾值分別為823.2±1.7、969.7±1.4，兩者相差約146道的原因是不同的QDC通道以及電子學(xué)插件通道存在不同的基線噪聲及傳輸?shù)絻蛇叺墓庾訑?shù)目可能有所不同。對不同QDC 電荷譜的基線噪聲擬合得到的平均值為電子學(xué)的平均臺(tái)階值，展寬反映了測試過程中的噪聲水平大小。取平均值加上5倍展寬的數(shù)值為有效閾值，作為Veto 探測器是否被有效擊中的判據(jù)。最后則可通過過閾事件總數(shù)和穿過Veto 探測器單元的總有效徑跡數(shù)比例，計(jì)算得到Veto探測器總的反符合效率。

圖11 嵌入7根WLS光纖的veto探測器電荷幅度譜（彩圖見網(wǎng)絡(luò)版）Fig.11 Charge-magnitude spectra of veto detectors embedded in seven WLS fibers (color online)

由于探測器邊緣效應(yīng)的存在，采用嵌入WLS和SiPM讀出結(jié)合的方式，可以讓探測器單元條邊緣處的閃爍光子實(shí)現(xiàn)收集，使得邊緣處的探測效率得以提高。為了評估該方案對邊緣效應(yīng)的改善，需要對不同擊中位置（包括邊緣位置）的探測效率進(jìn)行研究。在利用該平臺(tái)具體分析的過程中，通過調(diào)整方格面積，可以對被測探測器的邊緣效應(yīng)進(jìn)行細(xì)致研究。圖12給出了嵌入15、7根WLS光纖的Veto探測器單元條放置在中心位置時(shí)，按5mm×5mm的面積劃分格子時(shí)各部分的有效探測效率。從圖12可以看出，在邊緣位置即Y方向的約±40mm 處，嵌入15根WLS 光纖的Veto 探測器的探測效率明顯高于嵌入7根WLS 光纖的Veto 探測器的探測效率。為了更好對比Veto探測器的探測效率，把沒有WLS光纖和嵌入15、7、3根WLS光纖的Veto探測器，按10cm每份劃分成15等份放入平臺(tái)進(jìn)行測試，結(jié)果如圖13所示，可以看出，沒有光纖的Veto探測器和嵌入15、7、3根WLS光纖的Veto探測器最高探測效率分別為94.43%、99.99%、99.94%和99.82%，嵌入15根WLS光纖的Veto 探測器的探測效率相比于沒有WLS 光纖以及嵌入7、3根WLS 光纖的Veto 探測器的探測效率提高了5.56%、0.05%和0.17%，相比于早期Veto探測器提高了22.74%；且嵌入15、7、3根光纖的Veto探測器兩側(cè)邊緣位置的探測效率為99.99%、99.91%和99.57%相比于中間位置下降了0、0.03%、0.25%，而沒有嵌入WLS 光纖的兩側(cè)邊緣位置的探測效率相比于自身中間位置下降了1.28%，對整體影響最明顯，其波動(dòng)較大的原因是邊緣的光子由于較為苛刻的空間立體角限制很難傳輸至兩端，使得在邊緣累積足夠多的過閾光子數(shù)最終造成了有效面積內(nèi)的探測效率不均勻。

圖12 15、7根WLS的Veto探測器中心處分成5mm×5mm的格子其每個(gè)格子的探測效率Fig.12 Center of 15 and 7 WLS Veto detectors is divided into 5mm×5mm grids, and the detection efficiency of each grid

圖13 不同構(gòu)型的Veto探測器單元不同位置的探測效率Fig.13 Detection efficiency of different types of Veto detectors at different positions

4 結(jié)語

為了提高CSR-RIBLLII外靶反符合探測器單元條的探測效率，本文將Veto 單元條的厚度從5mm增加至10mm，嵌入了15、7、3根WLS 光纖，并在雙端使用SiPM 讀出。為了更好對比沒有光纖和嵌入15、7、3根WLS光纖的Veto探測器的探測效率，搭建完成了一套基于MWPC的宇宙射線測試平臺(tái)，利用該平臺(tái)對不同構(gòu)型的反符合探測器單元條開展了細(xì)致研究。測試結(jié)果顯示，在厚度增加為10mm 且沒有嵌入WLS 光纖時(shí)的Veto 探測器單元中間位置處的探測效率相比于原有5mm 厚度時(shí)用PMT 讀出（工作電壓為1 900V）Veto 探測器單元中間位置處提高了17.18%，可以看出，在單元條厚度增大后，由于總的閃爍光子數(shù)量增加，在衰減長度相同的條件下被兩端收集的光子數(shù)目也會(huì)增加，進(jìn)而提高了整個(gè)探測單元的探測效率。在嵌入15、7、3根WLS 光纖的Veto 探測單元條兩端讀出器件作與時(shí)中間位置處的反符合效率的數(shù)值分別為99.99%、99.94%和99.82%，相較于原有5mm 厚度的Veto 探測器單元條分別提高了22.74%、22.69%和22.57%，可以看出，采用嵌入WLS 結(jié)合SiPM 方案后，由于SiPM 對微弱信號極具靈敏，可以實(shí)現(xiàn)對很小幅度信號的測量，從而最終大幅增加探測器單元條的探測效率。同時(shí)，通過數(shù)據(jù)分析還發(fā)現(xiàn)嵌入光纖后，不論是兩端還是單元條兩側(cè)邊緣處，局部位置的探測效率均勻性都有明顯的改善。另外，相比于嵌入7、3根光纖時(shí)，嵌入15根光纖不論是總的探測效率還是兩側(cè)邊緣處的探測效率都要更高，均勻性更好。原因是隨著嵌入總的光纖數(shù)目越多，傳輸?shù)絻啥说目偣庾訑?shù)也越多，且在嵌入的光纖等間距排布時(shí)最邊上的光纖離單元條兩側(cè)邊的距離也越小。

因此，通過本文工作的研究結(jié)果，在增加單元條厚度、并嵌入多根WLS 光纖時(shí)，可以大幅提高Veto探測器單元的總探測效率和均勻性，減少探測器的邊緣效應(yīng)，增加單元條的靈敏面積。采用該方案升級的外靶實(shí)驗(yàn)終端反符合探測器，性能上可以得到大幅度的提升，這將極有利于外靶實(shí)驗(yàn)終端豐中子核素物理實(shí)驗(yàn)的開展。在后續(xù)的研究中，也將在外靶實(shí)驗(yàn)終端利用放射性次級束流（Radioactive Nuclear Beam，RNB）對Veto探測器的單元樣機(jī)進(jìn)行在束性能測試，以驗(yàn)證其實(shí)際使用性能。

作者貢獻(xiàn)聲明王珂負(fù)責(zé)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、收集和分析數(shù)據(jù)、論文撰寫、最終版本修訂；宋海聲提供研究思路，設(shè)計(jì)研究方案，并對研究設(shè)計(jì)提供了重要反饋；方芳提供研究思路，設(shè)計(jì)研究方案，并對研究設(shè)計(jì)提供了重要反饋；余玉洪提供研究思路，設(shè)計(jì)研究方案，并對研究設(shè)計(jì)提供了重要反饋；唐述文提供研究思路，設(shè)計(jì)研究方案，并對研究設(shè)計(jì)提供了重要反饋；劉相滿提供研究思路，設(shè)計(jì)研究方案，并對研究設(shè)計(jì)提供了重要反饋；孫志宇負(fù)責(zé)課題監(jiān)管與指導(dǎo)并為研究提供了經(jīng)費(fèi)支持；馬朋為測試反符合單元條提供了平臺(tái)支持；楊賀潤為測試反符合單元條提供了平臺(tái)支持；王世陶提供研究思路，設(shè)計(jì)研究方案；章學(xué)恒提供研究思路，設(shè)計(jì)研究方案；閆鐸提供研究思路，設(shè)計(jì)研究方案；張永杰提供研究思路，設(shè)計(jì)研究方案。