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(cè)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(cè)。近年來,隨著其性能的不斷提升和優(yōu)化,CsI(Tl)閃爍探測(cè)器被更加廣泛應(yīng)用于放射束物理實(shí)驗(yàn)中[1-4]。CsI(Tl)晶體的時(shí)間響應(yīng)快、易加工儲(chǔ)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(jià)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(cè)量[5-6]。CsI(Tl)晶體產(chǎn)生的閃爍光包含上升和衰減2個(gè)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(hào),此電脈沖信號(hào)為包含快、慢成分的脈沖波形[7]。脈沖波形分析[8-13]可實(shí)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(shí)驗(yàn)中,應(yīng)用較為成熟的粒子鑒別算法為積分法。對(duì)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(duì)應(yīng)的時(shí)間區(qū)間進(jìn)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(shí)現(xiàn)粒子種類的區(qū)分。積分門的延遲和寬度的變化會(huì)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(huì)隨之發(fā)生變化,所以積分門的延遲和寬度的選取對(duì)探測(cè)器的粒子鑒別能力有很大的影響[14]。

對(duì)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(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)定快、慢成分的電荷積分門,利用電荷積分插件QDC對(duì)閃爍體的脈沖波形實(shí)現(xiàn)快、慢成分的積分。這種方法對(duì)獲取系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力和存儲(chǔ)能力要求低,便于大規(guī)模通道實(shí)驗(yàn),但是如果積分門和延遲時(shí)間選擇不當(dāng),則有可能導(dǎo)致粒子鑒別效果不好,影響整個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的質(zhì)量?；赑XI的XIA獲取系統(tǒng)可以將實(shí)驗(yàn)中真實(shí)的CsI(Tl)閃爍探測(cè)器輸出的每個(gè)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(gè)事件的脈沖波形,逐個(gè)事件處理數(shù)據(jù),可剔除其中的異常波形,在每一個(gè)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(shí)間和寬度,計(jì)算不同的積分門延遲和寬度下探測(cè)器的粒子鑒別效果。這種方法雖然對(duì)數(shù)據(jù)傳輸能力和存儲(chǔ)能力要求較強(qiáng),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(xiàn)[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(shí)實(shí)驗(yàn)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(cè)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(cè)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(jìn)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(shí)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(shí)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(hào),圖1所示為本次實(shí)驗(yàn)獲得的一個(gè)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(diǎn)劃線表示。CsI(Tl)閃爍探測(cè)器的光輸出與時(shí)間成指數(shù)關(guān)系,光輸出的脈沖波形表達(dá)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(xiàng)為脈沖波形衰減部分的快成分,稱為fast;第2項(xiàng)為衰減部分的慢成分,稱為tail;第3項(xiàng)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(qiáng)度;τfast,τslow是衰減時(shí)間常數(shù);τfront是信號(hào)的上升時(shí)間常數(shù),一般為10～100 ns。因?yàn)榫哂泻芸斓纳仙龝r(shí)間,而衰減的時(shí)間很長(zhǎng),因此,上升部分經(jīng)常被忽略[14]。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置及探測(cè)器布局

實(shí)驗(yàn)中使用8×8單元陣列CsI(Tl)閃爍探測(cè)器,整個(gè)探測(cè)器的前表面設(shè)計(jì)成球面狀,由64塊CsI(Tl)探測(cè)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(tái),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(jī)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(shí)驗(yàn)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(jí)束流產(chǎn)生靶9Be得到前沖的6He粒子束流,4塊二級(jí)鐵設(shè)定磁剛度Bρ,經(jīng)二級(jí)鐵D1選擇,穿過C1處的降能片,再經(jīng)過二級(jí)鐵D2的選擇純化進(jìn)入靶室T1,穿過飛行時(shí)間起始探測(cè)器,再經(jīng)過二級(jí)鐵D3,D4的傳輸進(jìn)入靶室T2,穿過飛行時(shí)間停止探測(cè)器,得到次級(jí)束流6He,與大圓靶室內(nèi)的反應(yīng)靶發(fā)生反應(yīng)。初級(jí)束13C的平均流強(qiáng)為100 enA,初級(jí)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(qiáng)>3 000 pps、能量為30 AMeV的6He次級(jí)束流,純度約為90%。相距17 m的T1與T2處的飛行時(shí)間探測(cè)器測(cè)量飛行時(shí)間(TOF),用于次級(jí)束流的逐個(gè)事件鑒別。

圖2 蘭州放射性束流線Fig.2 RIBLL 1

次級(jí)束射入真空大圓靶室內(nèi),靶室內(nèi)探測(cè)器布局如圖3所示,反應(yīng)靶前放置2個(gè)雙面硅微條探測(cè)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(cè)量與Pb靶反應(yīng)前次級(jí)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(gè)DSSD,記為Si_3,Si_4,其正反面均有32條硅微條,用于測(cè)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(gè)8×8單元陣列CsI(Tl)閃爍探測(cè)器,用于測(cè)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(cè)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(gè)BC501A液體閃爍體探測(cè)器,用于靶后中子的測(cè)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(duì)齊。傳統(tǒng)的VME獲取系統(tǒng)直接將電信號(hào)經(jīng)過成型后在ADC將脈沖波形的峰值讀出,記錄信號(hào)的幅度。基于PXI的XIA 獲取系統(tǒng)可以直接處理前置放大信號(hào)并且直接獲取信號(hào)波形,以提供更多更全面的信息。

在數(shù)據(jù)處理時(shí),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(hào)的峰值,記為CsI;XIA獲取系統(tǒng)獲取真實(shí)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(cè)器輸出包含帶電粒子信息的脈沖波形,在脈沖波形上對(duì)快、慢成分設(shè)置fast gate和slow gate電荷積分門,對(duì)fast gate積分得到的是Qfast,對(duì)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(shí)現(xiàn)帶電粒子的鑒別。積分門的延遲和寬度的變化會(huì)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(shí)間的影響,可將式(2)簡(jiǎn)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(dá)[7]:

式(4)和式(5)中τ0,τ1,R0和d都是常數(shù),由實(shí)驗(yàn)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(duì)式(3)積分可得到總的光輸出:

(8)

總的光輸出有一個(gè)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(duì)式(3)用不同的時(shí)間區(qū)間進(jìn)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(shí)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(duì)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(jìn)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(tái)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(shí)驗(yàn)采用的基于PXI的XIA獲取系統(tǒng)會(huì)記錄下CsI(Tl)閃爍探測(cè)器輸出的每個(gè)事件的脈沖波形,在ROOT環(huán)境下編寫程序逐個(gè)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(biāo),Qslow為縱坐標(biāo),做Qfast-Qslow二維譜,不同的帶電粒子分布在不同的曲線上,實(shí)現(xiàn)反應(yīng)靶后帶電粒子種類的鑒別。

次級(jí)束粒子的種類Bρ+(ΔE-TOF) 方法鑒別。次級(jí)束粒子在RIBLL1中經(jīng)過二級(jí)鐵時(shí)做圓弧運(yùn)動(dòng),此時(shí)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(jiǎn)化得公式(11):

(11)

粒子經(jīng)T1到T2的飛行時(shí)間TOF與粒子的速度v的關(guān)系由公式(12)計(jì)算。

L=vt

(12)

實(shí)驗(yàn)時(shí)4塊二級(jí)鐵的磁剛度Bρ均設(shè)置為定值, 實(shí)驗(yàn)中T1到T2的距離L=17 m, 飛行時(shí)間TOF可測(cè)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(jí)鐵的磁剛度Bρ、探測(cè)器Si_1上次級(jí)束粒子的能損ΔE和粒子經(jīng)T1至T2的飛行時(shí)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(duì)每種粒子卡窗, 對(duì)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(jìn)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(shí)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(shí)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(rèn)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(duì)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(yàn)證這種鑒別方式的可行性,選定一個(gè)fast gate區(qū)間進(jìn)行計(jì)算(以fast gate:0～50 ns為例)。計(jì)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(jì)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(diǎn)選在峰值后+300 ns～+400 ns,終點(diǎn)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(duì)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(diǎn)到直線的距離公式計(jì)算粒子分布的距離,計(jì)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(jì)算可得到積分法鑒別帶電粒子時(shí)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(shí)驗(yàn)提供了參考。