二維多絲室探測器讀出方法的優化?

溫志文 祁輝榮 王艷鳳 孫志嘉 張余煉 王海云4) 張建 歐陽群 陳元柏 李玉紅

1)(蘭州大學核科學與技術學院,蘭州 730000)

2)(核探測與核電子學國家重點實驗室,北京 100049)

3)(中國科學院高能物理研究所,北京 100049)

4)(中國科學院大學,北京 100049)

1 引 言

基于高氣壓3He氣體的二維多絲室中子探測器具有探測效率高、位置靈敏、大面積的特點[1],廣泛應用于中子的位置探測.一臺有效面積為200 mm×200 mm的高氣壓3He氣體的二維多絲室中子探測器正在為中國散裂中子源多功能反射譜儀設計建造.探測器的位置分辨由中子次級粒子的電離重心到中子核反應位置的距離和探測器的本征位置分辨決定,可由SRIM軟件計算中子次級粒子在2.5 atm C3H8中引起的位置偏差約為1.4 mm,而面積為200 mm×200 mm的二維多絲室探測器的本征位置分辨為百微米量級,所以多功能反射譜儀探測器的位置分辨的要求為小于或等于2 mm;探測器單通道的計數率要求為10 kHz,整個面積的計數率要求為200—500 kHz;對中子的探測效率由3He的氣壓和厚度決定,6 atm和1.5 cm厚的3He氣體對2 ?中子達到約75%的探測器效率,對于確定波長的中子的鑒別由測量中子能量信息分析得出.多功能反射譜儀探測器對經過樣品反射中子的位置測量,通過分析中子的反射位置信息可獲得各種薄膜材料的表面和截面結構.二維多絲室探測器常采用的讀出方法有延遲線法[2]、重心法[3]和數字法[4].延遲線法優勢在于一個讀出平面只需兩個讀出通道,缺點在于計數率只有100 kHz量級[5],不能滿足多功能反射譜儀探測器200—500 kHz的計數率要求,且大面積探測器使用延遲線法容易出現信號振蕩和反饋現象,造成讀出信號質量較差,影響數據質量.而重心法和數字法都能滿足其計數率要求.重心法相對數字法具有更好的位置分辨及精確的電荷能量信息,得到中子的位置信息和能量信息,而數字法具有計數率高、數據傳輸量小和電子學系統簡單的優勢[6],但無法實現電荷信息的精確測量.多絲室核心探測器件由一定結構的二維多絲組成,不同的絲結構對應的位置分辨和讀出方法的選擇需要優化選擇.本文通過測試三種絲結構二維多絲室探測器,研究重心讀出方法和數字讀出方法在位置分辨和成像方面的性能.

2 讀出方法的介紹

2.1 重心讀出方法

重心讀出方法通過測量每一個讀出通道的感應電荷量,選取至少3個著火通道的事例,使用重心法的公式(1)將著火通道的幾何位置乘以該通道的感應電荷權重得到入射粒子的位置.式中:x為入射粒子的位置,Qi為第i個讀出通道測量到的感應電荷量,bi為第i個讀出通道的本底,xi為第i個讀出通道的幾何中心位置.因此該方法具有位置分辨高的優點,但數據傳輸流量大、電子學系統處理復雜.單次事例的相關多條感應電荷相加和可以得到對應入射粒子的總電荷量,即粒子能量.

2.2 數字讀出方法

數字讀出方法判斷每一個讀出通道的電荷信息或電壓信息是否超過設定的甄別閾值,通過(2)式求得超過閾值讀出通道的幾何中心位置,獲得入射粒子的位置.式中,xi為著火通道的幾何中心位置,N為著火通道數.所以該方法具有計數率高、數據傳輸量小和電子學系統簡單的優點.數字讀出方法要求過閾值的讀出通道不能過多,因為離中心位置越遠的讀出通道信噪比越差.由于無法得到每個條上的精確電荷信息,因此無法得到粒子能量信息.也由于閾值選取與電荷權重無關,因此可以實現高事例率的時間觸發獲取.

2.3 讀出方法與絲結構的關系

無論是重心讀出方法還是數字讀出方法,陽極絲間距和讀出通道間距都是影響它們位置分辨和成像性能的主要因素.一方面,陽極絲間距與二維多絲室探測器增益的正比關系影響探測器的位置分辨和成像;另一方面,由于陽極絲間距的調制作用,二維多絲室探測器在垂直于陽極絲方向的位置分辨不會超過陽極絲的間距.對于重心讀出方法,已有文獻介紹,當讀出通道間距過大,為6 mm時,探測器的位置分辨隨粒子入射位置的改變呈周期性變化[7],位置分辨率變化幅度達到80μm左右;當讀出通道間距降為4 mm,探測器的位置分辨隨入射位置的改變才沒有明顯變化.這是重心法的本身特性造成的,著火通道的感應電荷重心位置并不等于該著火通道的幾何中心位置.因此重心法的通道間距設計不應超過4 mm.對于數字讀出方法,探測器成像的像素大小為讀出通道間距的1/2,所以讀出通道的間距越小,數字法成像的像素越高,根據數字法位置分辨率的估算公式(D為讀出通道間距),位置分辨在一定范圍內的與通道間距成正比.根據已有的4 mm讀出通道間距的研究,讀出通道的信號和噪聲的幅度分別約為200 mV和15 mV.一般信噪比10/1為基本要求.因為讀出平面的感應電荷面積和總量一樣,所以著火通道的感應電荷量與通道間距成正比.當讀出通道間距降低,著火讀出通道的信噪比也將降低,甚至低于10/1的基本要求,從而重心法和數字法的位置分辨都將受影響.

3 絲結構設計

二維多絲室探測器基本結構如圖1所示,主要由陰極平面、兩個讀出平面和一個陽極平面組成,陽極平面位于兩讀出平面中間.

圖1 二維多絲室探測器的結構示意圖Fig.1.Diagram of 2D multi-wire proportional chamber.

陽極絲間距s的設計應在滿足探測器增益的要求下,保持盡量小則可以減少陽極絲間距的調制作用問題.實驗測試的二維多絲室探測器采用的工作氣體均為90%Ar+10%CO2,使用55Fe X-ray放射源進行探測器性能的測量.55Fe X-ray放射源在該工作氣體內產生的原初電子數約為200個.對于二維多絲室探測器,雪崩放大后產生的電荷量通常要達到100 fC量級才能得到較好的信噪比,有利于后續的電子學系統處理.假設陽極平面能收集到50%電荷量,探測器的增益G要求如(3)式計算所得約為104.

二維多絲室探測器的增益主要與其3個結構參數有關,包括陽極絲直徑、陽極絲間距和陽極平面到讀出平面間距.圖2是在探測器的陽極絲直徑為15μm,陽極平面到讀出平面間距為4 mm的條件下,Gar field軟件模擬探測器在不同陽極絲間距下的增益:在陽極絲間距為1 mm情況下,探測器的增益在陽極高壓3000 V下都小于104,二維多絲室探測器在陽極絲高壓超過3000 V將進入放電區;當陽極絲間距為1.5 mm時,陽極絲高壓2300 V,探測器增益達到104;當陽極絲間距2 mm時,陽極絲高壓1950 V,探測器增益達到104.為了滿足多功能反射譜儀2 mm的位置分辨,陽極絲的間距不能超過2 mm.探測器工作在越高的增益情況下,陽極絲在高電壓下更容易老化.因此實驗中設計的二維多絲室探測器的陽極絲間距選擇1.5 mm和2 mm.同樣,1.5 mm和2 mm的陽極絲間距也能滿足基于高氣壓3He氣體二維多絲室中子探測器約50的增益需求.

圖2 不同陽極絲間距的增益模擬結果Fig.2.Simulations of the different anode wire’s pitch.

由于讀出絲間距的設計與讀出通道的數量有很大關系,因此設計有4,2,1.5 mm三種情況.三種不同絲結構的二維多絲室探測器具體參數如表1所列.整個陽極絲平面占一個通道,總通道數由陽極絲平面和兩個讀出通道數相加.陽極絲的直徑與探測器的增益成反比,因此設計的三種結構探測器陽極絲直徑都是15μm,15μm的陽極絲在提供高的增益同時,也能承受施加的25 g張力.陰極絲的直徑都是50μm,施加的張力40 g.兩讀出平面到陽極平面的間距與探測器的增益成反比,而且與平面的感應電荷寬度成正比.設計的三種結構探測器的兩讀出平面到陽極平面的間距都是4 mm,在能夠滿足探測器的增益同時,也能滿足讀出平面內至少三個通道著火.

4 實驗測量及分析

位置分辨和成像能力是二維多絲室探測器的重要性能指標,是決定探測器設計成功與否的關鍵.實驗中測量三種絲結構二維多絲室探測器的位置分辨和成像能力.

4.1 計數坪區的測量

為了得到三種二維多絲室探測器的工作電壓,需要測量它們的坪曲線.表2為測量得到的三種二維多絲室探測器的坪曲線結果.從表2可以看出,探測器的坪區電壓與探測器的陽極絲間距有關,陽極絲間距增加,對應的坪區電壓也提高.從圖2探測器的增益模擬結果可以看出,在測量到的坪區電壓內,陽極絲間距為1.5 mm和2 mm的增益均在104附近,滿足探測器的增益需求.

表2 三種探測器的坪曲線測量結果Table 2.Curves of the three structures.

4.2 位置分辨測量

實驗中使用55Fe X-ray測量探測器的位置分辨,得到的是探測器的本征位置分辨.可以通過(4)式計算探測器對中子的位置分辨.中子次級離子在2.5 atm C3H8中產生的位置偏差約為1.4 mm,所以2 mm的中子位置分辨要求,決定探測器的本征位置分辨不能超過1.43 mm,由誤差傳遞公式可以得出位置分辨率(δ)不能超過約600μm.下面三種結構探測器的位置分辨都是通過55Fe X-ray放射源,穿過寬為200μm、厚10 mm的鋁塊準直狹縫進行測量.平行于陽極絲方向的位置分辨通過狹縫垂直于陽極絲方向放置,由讀出條測量得到;垂直于陽極絲方向的位置分辨通過狹縫平行于陽極絲方向放置,由讀出絲測量得到.

式中,Δx為探測器對中子的位置分辨,Δxe為探測器的本征位置分辨,Δxion為中子核反應產生次級離子帶來的位置偏差.

圖3為采用重心法和數字法測量結構A二維多絲室探測器的二維位置分辨.陽極高壓設為2000 V,陰極高壓設為?1200 V.圖3(a)和圖3(b)分別為用重心法測量平行于和垂直于陽極絲方向的位置分布,通過高斯擬合得到平行于和垂直于陽極絲方向的本征位置分辨率分別為306μm和186μm.圖3(c)和圖3(d)分別為用數字法測量平行于和垂直于陽極絲方向的位置分布,通過高斯擬合得到平行于和垂直于陽極絲方向的本征位置分辨率分別為366μm和716μm.顯然,該結構二維多絲室探測器數字讀出法在垂直于陽極絲方向的位置分辨不能滿足譜儀的要求.

圖4為結構B二維多絲室探測器的二維位置分辨測量圖.高斯擬合后得到的位置分辨率數值如表4所列.測量的高壓條件為:2350 V的陽極絲高壓,?1200 V的陰極高壓.圖4(b)的位置分布右邊有較長的尾巴,原因是狹縫放置的位置與陽極絲方向未平行導致的.該結構探測器使用數字法在垂直于陽極絲方向不能滿足譜儀的位置分辨要求.

圖3 (網刊彩色)結構A二維多絲室探測器重心法和數字法測得的二維位置分辨 (a)重心法測得平行于陽極絲方向的位置分辨;(b)重心法測得垂直于陽極絲方向的位置分辨;(c)為數字法測得平行于陽極絲方向的位置分辨;(d)數字法測得垂直于陽極絲方向的位置分辨Fig.3.(color online)Position resolution of the structure A with two methods:(a)X-resolution with CGM;(b)Y-resolution with CGM;(c)X-resolution with DM;(d)Y-resolution with DM.

圖4 (網刊彩色)結構B二維多絲室探測器重心法和數字法測得的二維位置分辨 (a)重心法測得平行于陽極絲方向的位置分辨;(b)重心法測得垂直于陽極絲方向的位置分辨;(c)為數字法測得平行于陽極絲方向的位置分辨;(d)數字法測得垂直于陽極絲方向的位置分辨Fig.4.(color online)Position resolution of the structure B with two methods:(a)X-resolution with CGM;(b)Y-resolution with CGM;(c)X-resolution with DM;(d)Y-resolution with DM.

圖5為結構A二維多絲室探測器的二維位置分辨測量圖.陽極高壓設為2500 V,陰極高壓設為?1200 V.位置分辨率的測量結果如表3所列,該結構探測器使用重心法和數字法都能滿足譜儀的位置分辨要求.

表3 三種結構探測器使用重心法和數字法測量到的二維位置分辨率Table 3.Position resolution of the different structure with two methods.

表3為三種結構探測器使用重心法和數字法測量到的二維位置分辨率.比較三種結構探測器讀出條使用重心法測量的位置分辨率結果:陽極絲間距從2 mm到1.5 mm變化,重心法在平行于陽極絲方向的位置分辨率并沒有改變.比較三種結構探測器讀出絲使用重心法測量的位置分辨率結果,讀出通道間距從4 mm變為2 mm,重心法測量的位置分辨率并沒有明顯的變化.比較讀出條和讀出絲使用重心法的位置分辨測量結果可以看出,垂直于陽極絲方向的位置分辨率好于平行于陽極絲的位置分辨率,這主要是由于二維多絲室探測器的電場特性造成的,雪崩限制在陽極絲附近很小范圍內,但垂直于陽極絲方向的位置分辨受到陽極絲間距的調制,如圖6所示,該方向的真實位置分辨等于陽極絲的間距.總之,三種結構探測器使用重心法都能滿足譜儀2 mm的位置分辨要求.對于重心讀出法最優的絲結構為:陽極絲間距1.5 mm,讀出通道間距4 mm.讀出通道間距越大,探測器電子學負擔越小.從表3數字讀出法的測量結果可以看出,在讀出通道間距1.5,2和4 mm三種情況中,位置分辨率與讀出通道間距成正比關系.當讀出通道間距不超過2 mm時,可滿足譜儀2 mm的位置分辨要求.

圖5 (網刊彩色)結構C二維多絲室探測器重心法和數字法測得的二維位置分辨 (a)重心法測得平行于陽極絲方向的位置分辨;(b)重心法測得垂直于陽極絲方向的位置分辨;(c)為數字法測得平行于陽極絲方向的位置分辨;(d)數字法測得垂直于陽極絲方向的位置分辨Fig.5.(color online)Position resolution of the structure C with two methods:(a)X-resolution with CGM;(b)Y-resolution with CGM;(c)X-resolution with DM;(d)Y-resolution with DM.

圖6 三種結構探測器重心法垂直于陽極絲方向的位置分辨 (a)結構A;(b)結構B;(c)結構CFig.6.The position resolution with the center of gravity method in X direction:(a)Structure A;(b)structure b;(c)structure C.

4.3 成像測量

為了測試二維多絲室探測器的成像能力,制作了一個回字鏤空的鋁板,回字每邊狹縫寬度為200μm,厚度為10 mm,其余參數如圖7所示.使用直徑約為3 mm的55Fe X-ray放射源,對準回字狹縫,多次移動放射源測量回字的每一邊成像.圖8為三種絲結構二維多絲室探測器使用重心讀出方法的成像結果,圖9為使用數字讀出方法的成像結果.

圖7 探測器成像回字實物圖和結構圖Fig.7.Diagram of the collimator.

圖8 (網刊彩色)三種結構探測器使用重心法的回字成像圖(a)結構A探測器;(b)結構B探測器;(c)結構C探測器Fig.8.(color online)The images with the center of gravity method:(a)Structure A;(b)structure B;(c)structure C.

圖9 (網刊彩色)三種結構探測器使用數字法的回字成像圖(a)結構A探測器;(b)結構B探測器;(c)結構C探測器Fig.9.(color online)The images with the digital method:(a)Structure A;(b)structure B;(c)structure C.

從圖8可以看出,三種結構探測器使用重心法都具有較好的成像能力.三種結構探測器的讀出條通道間距都設為1.5 mm,從圖9(a),圖9(b)和圖9(c)可以看出,該方向的成像即圖中的水平方向,每一邊都出現2—3條相鄰邊的成像.當通道間距為2 mm時,從圖9(c)的垂直方向邊成像可以看出,每一邊都出現2條相鄰邊成像;當通道間距為4 mm時,從圖9(a)和圖9(b)的垂直方向邊可以看出,每一邊的成像基本上都只出現一條邊的成像.所以數字讀出方法的成像要求讀出通道應大于2 mm.

5 結 論

本文通過模擬和分析,設計了三種不同絲結構的二維多絲室探測器,通過重心法和數字法分別測量了探測器的二維位置分辨和成像性能.可得出以下結論:陽極絲間距影響探測器的增益,但2 mm到1.5 mm的陽極絲間距的變化,并不會使重心法測量平行于陽極絲方向的位置分辨變差;1.5 mm陽極絲間距的二維多絲室探測器使用重心讀出方法,對中子的探測擁有好于2 mm的二維位置分辨;讀出通道間距從4 mm到2 mm的變化,對重心法測量到的位置分辨沒有明顯的影響;讀出通道間距依次從4 mm,2 mm到1.5 mm的改變,數字法測量到的位置分辨逐漸變好;設計的三種絲結構探測器使用重心法在位置分辨方面都能滿足譜儀2 mm的位置分辨要求,同時也具有很好的成像性能;結構C二維多絲室探測器使用數字法可滿足譜儀2 mm的位置分辨要求,但由于讀出通道間距過小,成像性能較差.因此,中國散裂中子源的多功能反射譜儀二維多絲室探測器選擇重心法讀出.

[1]Orban J,Cser L,Rosta L,T?r?k Gy,Nagy A 2011NIMA632124

[2]Li X L,Zhang Y L,Qian H,Xu Z Z,Wang X L 2008Chin.Phys.C36519

[3]Radeka V,Boie R A 1980NuclearInstruments and Methods178543

[4]Fonte P 1994NIMA348338

[5]Sitar B,Stubbs R J,Breare J M 1976Nuclear Instruments and Methods134267

[6]Tian L C,Sun Z J,Qi H R,Tang B,Lü X Y,Chen Y B,Ouyang Q 2013Nucl.Phys.Rev.3042

[7]Wang X H 2009Ph.D.Dissertation(Beijing:University of Chinese Academy of Sciences)(in Chinese)[王小胡2009博士學位論文(北京:中國科學院大學)]