對CsIT1晶體探測器傳統的能量校準方法局限性的研究

粟春梅

摘 ?要：文章介紹了CsI（T1）晶體探測器能量刻度的傳統方法，并對其局限性進行了研究，發現對大角度范圍內的CsI（T1）晶體無法探測到的粒子或是只能探測到某個或某幾個產額較高的粒子時，傳統方法無法實現對所有粒子進行能量刻度。因此文章的研究具有重要的現實意義，對開創一種新的刻度CsI（T1）晶體探測器能量的方法起到了推動和促進作用。

關鍵詞：CsI（T1）晶體探測器;能量刻度;局限性

中圖分類號：TL814 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）02-0121-02

Abstract： This paper introduces the traditional method of energy calibration of CsI（T1） crystal detector， and studies its limitations. It is found that particles that cannot be detected by CsI（T1） crystals in a large angle range can only detect one， or a few high-yielding particles， the traditional method cannot achieve energy calibration of all particles. Therefore， the research in this paper has important practical significance， and it has promoted a new method for calibrating the energy of CsI（T1） crystal detectors.

Keywords： CsI （T1） crystal detector; energy calibration; limitation

引言

CsI（T1）晶體探測器是檢測帶電粒子的重要儀器[1]。它的優點有效率高、可塑性強、機械強度大，耐較高溫、對重帶電粒子阻止本領高[2]等優點，因此它被廣泛應用于能量范圍為10-100MeV/u的重離子核反應的放射性核物理實驗中[3]。在這些應用中，CsI（T1）閃爍晶體用于檢測粒子的沉積能量E，計算該能量需要對能量進行刻度，這是不可或缺的步驟。但是CsI（T1）的光輸出L與能量E的關系復雜，不僅與粒子的質量數A有關，還與核電荷數Z有關，并且是一個非線性函數[4]，因此其能量刻度比較復雜。而CsI（T1）晶體探測器在核物理實驗中被廣泛應用，因此其標定問題受到了人們的關注。經過大量核物理實驗的研究，多數情況會用到的或者普遍使用的CsI（T1）晶體探測器能量的刻度方法基本形成，但在具體實驗中會發現，傳統方法會存在一定的局限性，本文將對此進行說明。

1 探測器的結構

在具體實驗中，用到的靶后粒子鑒別裝置是△E-E探測器系統，該系統由雙面Si微條探測器和CsI（Tl）陣列探測器組成。本文用到的CsI（Tl）陣列探測器是由8×8單元塊的CsI（Tl）晶體組成。[5]每一個探測器單元都由CsI（Tl）晶體，光電倍增管兩部分構成。CsI（T1）晶體由中國近代物理研究所生產，前表面為21mm×21mm、后表面為23.1mm×23.1mm。晶體的每個單元信號都可由光電倍增管單獨讀出。光電倍增管由Hamamamtsu公司制造，型號為R1213。從閃爍體出來的光子通過光導射向光電倍增管的光陰極，打出光電子，光電子經電子光學系統輸入加速系統、聚焦后射向第一“打拿極”。每個光電子經過打拿極都會擊出幾個電子，這些電子再經過第二個打拿極，經過倍增射向第三打拿極，就這樣一直下去，直到最后一個打拿極。如圖1所示，因此最后射向陽極的電子達到最多，最終轉變成電信號輸出。[2]

2 傳統的能量刻度方法及其局限性

CsI（T1）晶體探測器的能量刻度問題深受關注，但其刻度存在著很大的困難。主要是CsI（T1）晶體探測器的光輸出與能量滿足一個非線性的關系[6，7]，如式（1）。

式中A為原子核的質量數，Z為原子核電荷數，a0，a1，a2是需要確定的系數。一般的刻度方法是用實驗測量數據，進行在線刻度。該方法在大部分情況下可以獲得較好的擬合效果。但對于大角度的探測單元的能量刻度存在一定問題。由于有較多統計量的探測單元集中在零角度范圍內，大角度探測單元很容易出現統計量不夠的情況。為了進行大角度探測單元的能量刻度，一般也會采取磁場偏轉束流或對所測量束流進行散焦擴大束流的發散面積來對其進行能量刻度。但這種方法也會存在一些弊端：該方法一般只能對有限角度內的探測單元進行能量刻度;同時傳輸到次級靶后的束流只有有限的幾種核素，大角度的探測單元也很難獲得更多的計數。由于這些困難，多數情況只采用靠近中間附近的探測單元的數據，大角度數據很多情況都是浪費了，非常可惜。

結合9Li的碎裂反應實驗，傳統的刻度方法要求在ΔE-Ch二維譜上挑選出清晰的帶子，然后與計算得到的ΔE-E譜進行比對，從而得到對應于同一ΔE值實驗得到的道數與計算得到的對應能量進而獲得相應的擬合點。由于實驗裝置、實驗條件、實驗方法等的多重影響，在大多數試驗中，并不能在64塊CsI晶體上都能獲得較為清晰的ΔE-Ch二維譜，更多的情況是處于中間位置的CsI晶體可以看到清晰的帶子，如圖2所示。大角度范圍內的CsI晶體無法探測到粒子或是只能探測到某個或某幾個產額較高的粒子。因此在這種情況下上述方法就無法對CsI晶體刻度，然而要對能檢測到的所有粒子進行刻度更是無計于施。

3 結束語

本文結合具體的核物理實驗中的數據處理存在的問題，通過對CsI（T1）晶體探測器的能量刻度傳統方法的局限性研究，知道了傳統的刻度方法可以解決大多數情況的刻度問題，然而對大角度范圍內統計不足的情況還是很難刻度或者不能刻度，但是大角度范圍內獲取的數據對核物理實驗的數據處理又具有重要意義。因此急需一種新的方法可以針對于大角度探測單元統計量不足的情況下仍然可以對CsI（T1）晶體探測器的探測單元進行能量刻度。因此在未來工作中，我們旨在尋找一種新的刻度方法，可以針對傳統方法的局限性，做到能對統計量不夠的情況進行刻度，避免實驗數據的浪費，使實驗數據的處理更具完整性與說服力。

參考文獻：

[1]Qiao， R， Ye， YL，Wang， J et al.，A New Uniform CalibrationMethod for Double-Sided Silicon Strip Detectors， IEEE Trans. Nucl. Sci， 61（2014）596-601.

[2]復旦大學，等.原子核物理實驗方法[M].北京：原子能出版社，1997.

[3]武大鵬，章學恒，楊彥云，等，中能重離子在位置靈敏CsI（Tl）探測器中能損與光輸出響應的關系[J].核技術，2009，32（7）：550-555.

[4]Y. Larochelle， L. Beaulieu， B. Djerroud etal.， Energy-light relation for CsI（T1） scintillators in heavy ion experiments at intermediate energies，Nucl Instr and Meth A 348（1994）167-172.

[5]金仕綸，王建松，王猛，等，ΔE-E望遠鏡在9C碎裂反應上的應用[J].原子能科學技術，2012，46（4）：385-389.

[6]Larochelle Y， Beaulieu L， Djerroud B， et al. Energy-light relation for CsI（Tl） scintillators in heavy ion experiments at intermediate energies. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A， 1994，348：167-172.

[7]Kamanin DV， Wagner W， Ortlepp HG， A method for the intrinsic calibration of CsI（Tl） detectors. Nucl. Instr. and Meth A， 1998，413：127-137.

[8]馬維虎.9Li集團態研究[D].蘭州大學，2017.