CsI(Tl)闪烁探测器脉冲形状鉴别最优积分条件的探究方法

收稿日期:20221218基金项目:国家自然科学基金资助项目(11875297,U 2032140,12205096);浙江省自然科学基金资助项目(L Q 22A 050001
)㊂作者简介:刘 玲(1973 ),女,辽宁沈阳人,沈阳师范大学教授,博士;通信作者:王建松(1972 )
,男,浙江宁海人,湖州师范学院教授,博士㊂第41卷 第3期
2023年 6月沈阳师范大学学报(自然科学版)J o u r n a l o f S h e n y a n g N o r m a lU n i v e r s i t y (N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n )V o l .41N o .3J u n .202
3
文章编号:16735862(2023)03026107
C s I (T l )闪烁探测器脉冲形状鉴别最优积分条件的探究方法
刘 玲1,王凤兰1,2,孙晓慧2,李鹏程2,3,黄年伟2,刘佳丽2,刘顺菊2,刘丝雨2,吴茂盛2,池铭璇2,王建松2
(1.沈阳师范大学物理科学与技术学院,沈阳 110034;2.湖州师范学院理学院,浙江湖州 313000;3.兰州大学核科学与技术学院,兰州 730000
)摘 要:介绍了脉冲波形分析中用电荷积分法鉴别带电粒子的方法,给出了C s I (T l
)脉冲波形粒子鉴别能力的评估方法㊂用VM E (v e r s a m o d u l ee u r o c a r d )数据获取系统的电荷积分插件Q D C 和基于P X I (P C I e x t e n s i o n s f o r I n s t r u m e n t a t i o n )的X I A 获取系统获取C s I (T l )闪烁探测器的脉冲信号波形各有优缺点㊂相较于过去在实验中利用Q D C 电子学插件对闪烁体的脉冲波形做
快㊁慢成分的在线积分处理,该研究在X I A 获取系统采集的C s I (T l )闪烁体真实脉冲波形基础上,利用R O O T 数据分析软件,
在离线数据处理过程中利用程序调整积分门的延迟和宽度,研究了积分门的延迟和宽度的变化对探测器粒子鉴别能力的影响㊂定义了一种简单㊁明了的判断方法,通
过比较2种不同粒子在二维鉴别谱中的分布距离来判断在不同积分门延迟和宽度下粒子的鉴别
能力并研究其变化规律,探究该方法的可行性,为以后采用电荷积分插件实验提供参考㊂
关 键 词:C s I (T l
)闪烁探测器;脉冲形状分析;带电粒子鉴别;积分法中图分类号:O 571.1 文献标志码:A d o i :10.3969/j .i s s n .16735862.2023.03.014A n e x p l o r a t i o nm e t h o do f o p t i m a l i n t e g r a l c o n d i t i o n s f o r p u l s e s h a p
e i d e n t i
f i c a t i o no fC s I (T l )s c i n t i l l a t i o nd e t e c t o r L I U L i n
g 1,WA N G F e n g l a n 1,2,S U N X i a o
h u
i 2,L I P e n g c h e n g 2,3,HU A N G N i a n w e i 2,L I U J i a l i 2,L I U S h u n
j u 2,L I U S i y u 2,WU M a o s h e n g 2,C H I M i n g x u a n 2,WA N GJ i a n s o n g 2(1.C o l l e g eo fP h y s i c a lS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y ,S h e n y a n g N o r m a l U n i v e r s i t y ,S h e n y a n g 110034,C h i n a ;2.S c h o o l o f S c i e n c e ,H u z h o uU n i v e r s i t y ,Z h e j i a n g H
u z h o u313000,C h i n a ;3.S c h o o l o fN u c l e a rS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y ,L a n z h o uU n i v e r s i t y
,L a n z h o u730000,C h i n a )A b s t r a c t :T h e p a r t i c l e i d e n t i f i c a t i o n w i t hc h a r g e i n t e g r a lm e t h o di n p u l s ew a v e f o r m a n a l y s i s i s i n t r o d u c e da n dt h ee v a l u a t i o nf o r m u l af o rt h ea b i l i t y o fC s I (T l )p a r t i c l ei d e n t i f i c a t i o nb yp u l s e w a v e f o r ma n a l y s i s i s g i v e n i nt h i s p a p e r .T h e r ea r es o m ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s f o rVM E (v e r s am o d u l e e u r o c a r d )d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e mu s i n g c h a r g e i n t e g r a l e l e c t r i cm o d u l eQ D Ca n d t h e X I Aa c q u i s i t i o n s y s t e m b a s e do nP X I (P C Ie x t e n s i o n sf o rI n s t r u m e n t a t i o n )b y r e c o r d i n g t
h ef u l l p u l s ew a v e f o r m.O t h e r t h a n t h eu s u a lw a y t o i n t e g r a t e t h e c h a r g eo f f a s t a n ds l o wc o m p o n e n t so f t h e s c i n t i l l a t o r p u l s ew a v e f o r mo n l i n e u s i n g Q D C i n t h e e x p e r i m e n t ,a t t h e p r e s e n tw o r k ,t h e d e l a y a n dw i d t ho f t h e i n t e g r a t i n gg a t eh a v eb e e na d j u s t e d t os t u d y t h e i r e f f e c t so n t h e a b i l i t y o
f p a r t i c l e
i d e n t i f i c a t i o nu s i n g t h eR O O Ts o f t w a r e i no f f l i n e a n a l y s i sb a s e do n t h e r e a l p u l s ew a v e f o r mo fC s I
(T l)s c i n t i l l a t o r o b t a i n e db y X I Ad a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m.I n o r d e r t o e s t i m a t e t h e a b i l i t y o f p a r t i c l e
i d e n t i f i c a t i o nw i t h d i f f e r e n t i n t e g r a t i n g g a t e a n d s t u d y t h e r e g u l a r i t y,a c o n c i s e f o r m u l a i s d e f i n e d b y
c o m p a r i s o no f t h e
d i s t a n c
e o
f t h e t w ok i n d so f p a r t i c l eo n t h e t w o-d i m e n s i o ns p e c t r u mf o r p a r t i c l e
i d e n t i f i c a t i o n,e x p l o r e t h ef e a s i b i l i t y o f t h i s m e t h o da n d p r o v i d er e f e r e n c ef o r f u t u r ee x p e r i m e n t s
u s i n g c h a r g e i n t e g r a t i o n p l u g i n s.
K e y w o r d s:C s I(T l)s c i n t i l l a t i o nd e t e c t o r;p u l s es h a p ea n a l y s i s;c h a r g e d p a r t i c l e i d e n t i f i c a t i o n;
i n t e g r a t i o nm e t h o d
C s I(T l)闪烁探测器的发展已有百余年,其初期一直被用于电离辐射的探测㊂近年来,随着其性能的不断提升和优化,C s I(T l)闪烁探测器被更加广泛应用于放射束物理实验中[14]㊂C s I(T l)晶体的时间响应快㊁易加工储存㊁有较高的阻止本领和抗辐射能力,可用脉冲形状甄别技术甄别不同粒子,并且价格低廉,常用于中能重离子引起的核反应中带电粒子能量和位置的测量[56]㊂C s I(T l)晶体产生的闪烁光包含上升和衰减2个部分,其衰减部分包含快㊁慢2种成分,闪烁光荧光光子经光电转换器件收集㊁转换㊁放大,在阳极输出电脉冲信号,此电脉冲信号为包含快㊁慢成分的脉冲波形[7]㊂脉冲波形分析[813]可实现粒子种类的鉴别,常见的粒子鉴别算法有波形拟合法㊁积分法[14]㊁模糊聚类算法[1516]和矩阵算法㊂在过去的实验中,应用较为成熟的粒子鉴别算法为积分法㊂对于包含快㊁慢2种成分的脉冲波形可以利用积分法鉴别粒子的种类,在脉冲波形上选取快㊁慢成分所对应的时间区间进行积分,得到快㊁慢成分的电荷量,通过画二维谱可以得到分布在不同曲线上的不同粒子,并实现粒子种类的区分㊂积分门的延迟和宽度的变化会得到不同的快㊁慢成分的电荷量,二维谱中的曲线的分布也会随之发生变化,所以积分门的延迟和宽度的选取对探测器的粒子鉴别能力有很大的影响[14]㊂
对于传统的VM E数据获取系统,积分法鉴别粒子需要在实验时设定快㊁慢成分的电荷积分门,利用电荷积分插件Q D C对闪烁体的脉冲波形实现快㊁慢成分的积分㊂这种方法对获取系统的数据传输能力和存储能力要求低,便于大规模通道实验,但是如果积分门和延迟时间选择不当,则有可能导致粒子鉴别效果不好,影响整个实验数据的质量㊂基于P X I的X I A获取系统可以将实验中真实的C s I(T l)闪烁探测器输出的每个粒子的脉冲波形完整记录下来,利用数据处理软件R O O T分析,查看每个事件的脉冲波形,逐个事件处理数据,可剔除其中的异常波形,在每一个脉冲波形上设置快㊁慢成分的电荷积分门,编写程序调整电荷积分门的延迟时间和宽度,计算不同的积分门延迟和宽度下探测器的粒子鉴别效果㊂这种方法虽然对数据传输能力和存储能力要求较强,可以通过后期软件处理保证粒子鉴别的效果㊂高辉等已经在文献[14]中利用模拟数据讨论过不同电荷积分门延迟和宽度下的粒子鉴别效果,找到了最佳电荷积分门延迟和宽度的规律㊂本文旨在利用真实实验数据,给出粒子鉴别效果的判断方法,讨论不同积分门延迟和宽度下的粒子鉴别效果,探究该方法的可行性㊂
1 C s I(T l)探测器的工作原理
C s I(T l)晶体的光输出总量依赖于C s I本身的属性和T l掺杂量,其产生的脉冲波形与入射粒子的能量㊁原子序数和质量数相关㊂不同的带电粒子在探测器中产生的闪烁光脉冲中快㊁慢成分的比例不同,所以得到的脉冲波形也有所差异[17]㊂脉冲波形中包含着带电粒子的A,Z等信息,可以应用脉冲波形分析的方法进行带电粒子种类的鉴别㊂
一定能量的带电粒子入射到C s I(T l)晶体表面,激发形成平均电离密度为ρ的闪烁光脉冲由快㊁慢
成分组成,t时刻的闪烁光脉冲形式可表示为
N(t)ʈN f(ρ)
τf e-t/τf+N s(ρ)
τs e-t/τs(1)
其中:N f(ρ),N s(ρ)分别为一次闪烁光脉冲中快㊁慢成分所包含的光子数;τf,τs分别表示快㊁慢成分的衰减时间;快㊁慢成分包含的光子数的比值N f(ρ)/N s(ρ)随ρ的增加而增加;τs基本与电离密度ρ无关;τf 是电离密度ρ的函数[18]㊂
C s I(T l)晶体形成的闪烁光荧光光子经光导被光电转换器件收集㊁转换㊁放大,在阳极输出电脉冲信号,图1所示为本次实验获得的一个典型的脉冲波形,衰减部分的快㊁慢2种发光成分分别用虚线和点262沈阳师范大学学报(自然科学版)第41卷
划线表示㊂C s I (T l )闪烁探测器的光输出与时间成指数关系,光输出的脉冲波形表达式如下:L (t )=h f a s t τf a s t e x p -t τæèçöø÷f a s t +h s l o w τs l o w e x p -t τæèçöø÷s l o w -h f r o n t τf r o n t e x p -t τæèçöø÷f r o n t (2)式中:第1项为脉冲波形衰减部分的快成分,称为f a s t ;第2项为衰减部分的慢成分,称为t a i l ;第3项是脉冲的上升部分;h f a s t ,h s l o w 和h f r o n t 是与电离密度相关的发光强度;τf a s t ,τs l o w 是衰减时间常数;τf r o n t 是信号的上升时间常数,一般为10~100n s ㊂因为具有很快的上升时间,而衰减的时间很长,因此,上升部分经常被忽略[
14]㊂图1 C s I (T l )晶体的脉冲波形示意图F i g .1 S c h e m a t i cd i a g r a mo f p u l s ew a v e f o r mo f C s I (T l )c r y
s t a l 2 实验设置及探测器布局
实验中使用8ˑ8单元阵列C s I (T l )闪烁探测器,整个探测器的前表面设计成球面状,由64块C s I (T l )探测器单元构成㊂C s I (T l )晶体单元加工成前表面为21mmˑ21mm ㊁后表面为23.1mmˑ23.1mm ㊁高为50mm 的棱台,读出单元为日本滨松公司生产的R 1213型光电倍增管P MT (p
h o t o m u l t i p l i e r t u b e ),其光阴极为φ=19mm 的圆面㊂为了更好耦合晶体与P MT ,用航天有机玻璃加工成光导连接C s I (T l
)晶体的后表面与P MT 的光阴极㊂光电倍增管用铁筒屏蔽,晶体前表面用铝箔包裹,晶体侧面及光导用特氟龙膜包裹以增加光收集效率[1920]㊂本次实验是在兰州放射性束流线装置[21](R I B L L 1)上开展的,R I B L L 1的结构如图2所示㊂由H I R F L 提供的58AM e V 的13C 束流,轰击R I B L L 1中T 0处的次级束流产生靶9B e 得到前冲的6H e 粒
子束流,4块二级铁设定磁刚度B ρ,经二级铁D 1选择,穿过C 1处的降能片,再经过二级铁D 2的选择纯化进入靶室T 1,穿过飞行时间起始探测器,再经过二级铁D 3,D 4的传输进入靶室T 2,穿过飞行时间停止探测器,得到次级束流6H e ,与大圆靶室内的反应靶发生反应㊂初级束13C 的平均流强为100e n A ,初级靶为厚度6mm 的B e 靶,降能器是厚度2mm 的A l ,在T 2处获得流强>3000p p s ㊁能量为30AM e V 的6H e 次级束流,纯度约为90%㊂相距17m 的T 1与T 2处的飞行时间探测器测量飞行时间(T O F ),用于次级束流的逐个事件鉴别㊂
次级束射入真空大圆靶室内,靶室内探测器布局如图3所示,反应靶前放置2个双面硅微条探测器(D S S D ),依次记为S i _1,S i _2,D S S D 的正反面均有16条硅微条,用于测量与P b 靶反应前次级束带电粒子与硅微条作用的能量损失和径迹㊂靶后放置2个D S S D ,记为S i _3,S i _4,其正反面均有32条硅微
条,用于测量与P b 靶反应后粒子与硅微条作用的能量损失和径迹㊂最后放置1个8ˑ8单元阵列C s I
(T l )闪烁探测器,用于测量反应后带电粒子的能量和位置㊂真空靶室外放置7个B C 501A 液体闪烁体探测器,用于靶后中子的测量㊂数据获取采用VM E +基于P X I 的X I A 获取系统同步获取的方案,由VM E 获取t r i g g e r 给X I A 作为外部t r i g g e r ,VM E 与X I A 用同一脉冲发生器对齐㊂传统的VM E 获取系统直接将电信号经过成型后在A D C 将脉冲波形的峰值读出,记录信号的幅度㊂基于P X I 的X I A 获取系统可以直接处理前置放大信号并且直接获取信号波形,以提供更多更全面的信息㊂
在数据处理时,将VM E 获取的数据与X I A 获取的数据组成新的数据文件㊂VM E 获取系统经A D C 读出信号的峰值,记为C s I ;X I A 获取系统获取真实的脉冲波形,并利用R O O T 找到脉冲波形的峰
3
62 第3期 刘 玲,等:C s I (T l )闪烁探测器脉冲形状鉴别最优积分条件的探究方法
值,记为p k C s I ㊂新文件中p k C s I 和C s I 为线性关系则说明事件同步匹配㊂图2 兰州放射性束流线
F i g .2 R I B L L1图3 真空靶室内探测器布置示意图
F i g .3 L a y o u t d i a g r a mo f d e t e c t o r i n v a c u u mt a r g
e t r o o m 3 积分法
C s I (T l )闪烁探测器输出包含带电粒子信息的脉冲波形,在脉冲波形上对快㊁慢成分设置f a s t g a t e 和s l o w g a t e 电荷积分门,对f a s t g a t e 积分得到的是Q f a s t ,对s l o w g a t e 积分得到的是Q s l o w ㊂做Q f a s t 和
Q s l o w 二维谱,在Q f a s t 和Q s l o w 二维谱上不同的带电粒子分布在不同的曲线上,
实现带电粒子的鉴别㊂积分门的延迟和宽度的变化会影响粒子的鉴别效果[
14]㊂C s I (T l )晶体的光输出的脉冲波形可用式(2)描述,忽略掉上升时间的影响,可将式(2)简化为如下形式:L (t )=h f a s t τf a s t e x p -t τæèçöø÷f a s t +h s l o w τs l o w e x p -t τæèçöø÷s l o w (3)式中:τs l o w 是常数,约为4~7μs ;τf a s t ,h f a s t 与h s l o w 的比值(
R )与粒子的种类(A ,Z )和能量E 有关,它们可用如下方程来表达[
7]:R (E ,q )=R 0q 1/41-e x p -d q 1/4E æèçöø÷éëêêùûúúQ (4
)τf a s t (E ,q )=τ0+τ1q 0.18341-e x p -d q 1/4E æèçöø÷éëêêùû
úúQ (5
)式(4)和式(5)中τ0,τ1,R 0和d 都是常数,由实验数据拟合而得到,而q =A
Z 2(6)并且
Q (q )=0.2851-e x p -q 0.æèçöø÷éëêêùûúú611q 0.102(7)由此知道h f a s t /h s l o w 是关于E ,A ,Z 的函数,也就是C s I (T l )晶体光输出包含了粒子的能量E 和种类(A ,Z )的信息㊂对式(3
)积分可得到总的光输出:ʏɕ0L (t )d t =h f a s t +h s l o w (8
)总的光输出有一个近似的公式[
22]:L (E )=a 0+a 1E -a 2A Z 2l n E +a 2A Z 2a 2A Z æèçöø÷éëêêùûúú2(9)式中:a 0,a 1和a 2为常数;由式(4)和式(8)可以确定h f a s t 和h s l o w 的值㊂对式(
3)用不同的时间区间进行积分就可以得到Q f a s t 和Q s l o w 的值,在Q f a s t 和Q s l o w 二维谱上不同粒子分布在不同的曲线上,
由此实现粒子的鉴别㊂式(9)是总的光输出与粒子能量及种类的关系,可以用来刻度不同粒子的不同光输出总量所对应的能量㊂4 脉冲波形最优积分条件的研究
R O O T 是一种面向对象的数据分析处理软件,
是用C++编写的一种界面化的分析程序,它可以方便快捷地进行高能物理与核物理方面大数据量的分析和处理,其提供了柱状图㊁拟合工具㊁二维谱等常用的工具㊂R O O T 平台能够兼容C ++语言,
用户可以根据自己的要求编写分析程序或再次开发㊂462沈阳师范大学学报(自然科学版) 第41卷
本实验采用的基于P X I 的X I A 获取系统会记录下C s I (T l )闪烁探测器输出的每个事件的脉冲波形,在R O O T 环境下编写程序逐个事件分析脉冲波形,
在脉冲波形上设置图1所示的快㊁慢成分的电荷积分门,做积分得到电荷量Q f a s t 和Q s l o w ,以Q f a s t 为横坐标,Q s l o w 为纵坐标,做Q f a s t -Q s l o w 二维谱,
不同的带电粒子分布在不同的曲线上,实现反应靶后带电粒子种类的鉴别㊂
次级束粒子的种类B ρ+(ΔE -T O F )方法鉴别㊂次级束粒子在R I B L L 1中经过二级铁时做圆弧运动,此时粒子所受的洛伦兹力提供向心力,即公式(10
),其中ρ为圆弧轨道半径㊂B q v =m v 2ρ(10
)简化得公式(11):B ρ=m q v (11)粒子经T 1到T 2的飞行时间T O F 与粒子的速度v 的关系由公式(12
)计算㊂L =v t (12) 实验时4块二级铁的磁刚度B ρ均设置为定值,实验中T 1到T 2的距离L =17m ,飞行时间T O F 可测得,由公式(12)确定速度v ,已知B ρ和速度v 可确定粒子的质量和电荷的比值m /
q ㊂粒子在D S S D 上的能量损失ΔE 可鉴别粒子的电荷数Z ㊂结合4块二级铁的磁刚度B ρ㊁探测器S i _1上次级束粒子的能损ΔE 和粒子经T 1至T 2的飞行时间(T O F ),就可以鉴别粒子的质量数A 和电荷数Z ,得到T O F -ΔE 二维谱,在T O F-ΔE 二维谱上便可以鉴别靶前带电粒子的种类,如图4所示㊂在
T O F -ΔE 二维谱上对每种粒子卡窗,对于经过反应靶大部分未发生反应的粒子,可与Q f a s t -Q s l o w 二维
谱上所鉴别的粒子种类进行比较[23],如图5所示㊂图4 T O F -ΔE 二维谱
F i g .4 T O F -ΔE t w o -d i m e n s i o n a l s p e c t r u m 图5 Q f a s t -Q s l o w 二维谱
F i g .5 Q f a s t -Q s l o w t w o -d i m e n s i o n a l s p
e c t r u m 因粒子与硅微条作用时存在沟道效应或打偏的情况,导致一条硅微条读出的能量值小,故在T O F -ΔE 二维谱上6H e 可能与氚(t )落在同一区域,在卡窗选择t 粒子时就包含这部分6H e 粒子,
所以在Q f a s t -Q s l o w 二维谱中出现t 中包含着6H e ,比照6H e 正常位置可以认定图5中所示位置为t ㊂在Q f a s t -Q s l o w 二维谱上定义一条过6H e 的直线A x +B y +C =0,选取t 和部分6H e ,应用公式(13)求出所选中粒子到该直线的距离:
d =A x +B y +C A 2+B
2(13) 利用R O O T 分析得图6所示的粒子距离分布的一维谱,对图6中的t 和6H e 两峰高斯拟合,
得到两峰的中心值d 1,d 2和表征峰的宽度的参数σ1和σ2㊂将拟合得到的两峰的中心值的差值与两峰表征宽度的参数之和的比值定义为R ,即为公式(14),R 值的大小可反映粒子鉴别效果,
与品质因子定义类似㊂R =d 2-d 1σ1+σ2(14) 为验证这种鉴别方式的可行性,选定一个f a s t g a t e 区间进行计算(以f a s t g a t e :0~50n s 为例)
㊂计5
62 第3期 刘 玲,等:C s I (T l )闪烁探测器脉冲形状鉴别最优积分条件的探究方法
算过程中改变s l o w g a t e区间的延迟和宽度,得到不同s l o w g a t e积分门延迟和宽度下的R值㊂将计算得到的R值在图7中表现出来,可以看出,随着s l o w g a t e积分门的改变,R值的变化有一定的规律㊂结果表明,将s l o w g a t e积分门的起点选在峰值后+300n s~+400n s,终点选在峰值后+1500n s~+1 800n s均可得到较优的鉴别效果㊂
图6粒子距离分布一维谱
F i g.6O n e-i m e n s i o n a l s p e c t r u mo f p a r t i c l e
d i s t a n c ed i s t r i b u t i o n
图7粒子鉴别效果比较图
F i g.7C o m p a r i s o nd i a g r a mo f p a r t i c l e
i d e n t i f i c a t i o ne f f e c t
5结语
在R O O T环境下,对X I A获取系统获取的闪烁光脉冲波形应用脉冲波形分析的积分法鉴别带电粒子,利用点到直线的距离公式计算粒子分布的距离,计算得到可反映鉴别效果的R值,随着s l o w g a t e 积分门的延迟和宽度的变化,R值显现出明显的变化规律㊂足以说明用这种方法研究粒子鉴别效果是可行的㊂
本文讨论了该方法的可行性,在后续的工作中应用该方法计算可得到积分法鉴别带电粒子时积分门的最佳区间范围,为以后利用Q D C插件做脉冲形状粒子鉴别的实验提供了参考㊂
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