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对于紧凑式叠层伽马探测器,它将两种衰减时间不同的晶体叠加到一起,一个作为探测目标伽马射线全能峰的主探测晶体,另一种则用于探测康普顿散射的次探测晶体,两种晶体耦合到同一个光电倍增管(PMT)上,如图1所示。用于反康测量的次晶体将探测康普顿散射后逃逸出LaBr3(Ce)探测器灵敏区的伽马光子,由于两种晶体的衰减时间不同,利用LaBr3(Ce)晶体与次晶体耦合到同一个PMT上脉冲波形的差异来鉴别两种探测晶体的输出信号,通过数字化获取系统对康普顿事件信号进行处理,从而达到抑制康普顿本底的目标[9]。
闪烁体探测器的脉冲形状甄别主要依据是不同晶体引起的光脉冲衰减率的差异。脉冲形状甄别方法通常分成以下两类:基于时间的方法和基于幅度的方法。在第一类中,常用的计时技术用于产生脉冲形状判别参数,包括过零法和直接上升时间测量法。在第二类中,探测器脉冲在两个并行脉冲处理分支中进行处理,两个分支的输出幅度的差异提供了脉冲形状甄别参数,电荷比较法属于这个类别。
早期的模拟电荷比较法基于PMT 电流脉冲与两个具有不同积分时间常数的RC 积分电路的积分。电荷数字转换器(QDC)的出现使得无需使用脉冲整形器就可以直接测量PMT 电流脉冲在不同时间间隔中包含的电荷。近年来, 数字化获取系统在核物理研究中得到了广泛应用,数字脉冲处理技术的发展使得粒子鉴别变成更加高效。数字电荷比较法通过现场可编程门阵列(FPGA)在线或者离线计算长、短时间间隔中脉冲采样的总和。无论采用模拟还是数字电荷比较法,积分区域持续时间的优化对于方法的整体性能很重要,应该针对所使用的探测器进行优化。本次测试采用的是电荷比较法。在电荷比较法中,利用脉冲波形甄别,通过对两个不同时间积分门内的脉冲进行积分得到PMT 输出脉冲的衰减时间差,从而给出输出脉冲的快、慢成分。积分时间门可以根据闪烁体的类型和实验条件设置。如图2所示,每个脉冲在数值上积分为仅覆盖脉冲快速分量的短积分门(Qshort)和覆盖整个脉冲的长积分门(Qlong)。短积分门通常在每个脉冲的峰值位置开始,并在最佳值处结束,脉冲的积分可以实时进行。依据两个积分值之比,就可以甄别不同晶体产生的信号信息。利用计算出的短积分值和长积分值,可以在快慢成分-能量二维图上生成散点图,其中不同衰减时间的事件将集中出现在单独的簇中。
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为了选择合适的外层探测晶体,本工作对核物理实验中广泛应用的闪烁体晶体进行了筛选与模拟,包括塑料闪烁体、BGO晶体、NaI(Tl)晶体和CsI(Tl)晶体,主要对比了闪烁体的光产额、伽马半吸收厚度特性来选择候选的闪烁体,然后比较候选闪烁体的衰减时间。由于探测器预先考虑的直径尺寸为3英寸,需要高效率的外层晶体以达到更好的反康效果,塑料闪烁体的衰减时间约为0.9 ns,衰减时间短且效率低而不能满足要求。同时,与CsI(Tl)晶体相比,BGO晶体与NaI(Tl)晶体的衰减时间分别为300,630 ns,衰减时间相对较短,与LaBr3(Ce)晶体衰减时间更接近不利于脉冲形状甄别。综上所述,CsI(Tl)晶体是外层探测晶体更好的选择。
为了确定叠层探测器脉冲形状甄别性能和反康效果,采用Geant4蒙特卡罗模拟软件对于紧凑式叠层探测器开展了模拟,Geant4是由欧洲核子中心CERN基于C++语言开发的一套开源的蒙特卡罗模拟软件,它主要用于模拟基本粒子穿过物质时发生的相互作用, 在核科学与技术领域有着广泛的应用[7-8]。模拟的主要目的是作为探测器设计的参考,将模拟结果与测试结果对比,以便对探测器的性能进行评估。
CsI(Tl)晶体作为外层的次探测晶体,主要有以下优点:作为主探测器的LaBr3(Ce)晶体,其衰减时间为16 ns,而CsI(Tl)晶体的衰减时间为1 000 ns,两种晶体衰减时间差异较大,更有利于脉冲形状甄别区分两种信号。图3是模拟得到的图,左边是当伽马光子能量全部沉积在LaBr3(Ce)晶体以及沉积在两种晶体中的两种波形,右图是快慢成分-能量散点图,图中PID表示不同门宽的积分比值(Qshort/Qlong),短门积分与长门积分比值越大,则沉积在LaBr3(Ce)晶体中的能量越多。图3中,放大的区域为伽马光子的能量全部沉积在LaBr3(Ce)晶体中的情况,下面为伽马光子的能量全部沉积在CsI(Tl)晶体中的情况;中间的区域为伽马光子的能量在单个晶体中未能完全沉积的情况;LaBr3(Ce)晶体的光产额为63 000 photos/MeV,CsI(Tl)晶体的光产额为54 000 photos/MeV,两种晶体的光产额接近,探测效率接近,有利于组成反康叠层探测器;CsI(Tl)的密度为4.51 g/cm3,相对较大的密度有利于屏蔽并减少外界本底的污染。
利用Geant4蒙特卡罗模拟软件模拟了该探测器对60Co源的探测效果。得到的能谱如图4所示,其中黑色的实线是图3直接投影得到的,即未进行反康的能谱;红色实线是图3中虚线框部分投影得到的,即进行反康之后的能谱。从图4中可以明显看出,在进行反康之后能谱的康普顿坪被明显压低,反康效果可以通过抑制系数体现出来。
计算康普顿本底面积时,康普顿本底范围的选择是根据散射光子和反冲电子的能量与散射角关系,即式(1)得出[10]:
$$ {E_{{\gamma ^{'}}}}_{,\,\min } = \frac{{{E_\gamma }}}{{1 + {{2{E_\gamma }} \mathord{\left/ {\vphantom {{2{E_\gamma }} {{m_0^{}}{c^2}}}} \right. } {{m_0}{c^2}}}}}, $$ (1) 式中:
$E_\gamma $ 为全能峰能量;${E_{{\gamma ^{'}}}}_{,\, \min }$ 为散射光子能量最小值;m0为电子静止质量。利用式(1),可以分别求得1 173、1 332 keV的康普顿散射的光子能量范围约为210~963 keV和214~1 118 keV。计算时选择的范围是1 173, 1 332 keV两条伽马射线的康普顿事件重合的部分,也就是214~963 keV。将未考虑反康情况的全能峰事件与康普顿事件比例(P/C)un和反康情况下的全能峰事件与康普顿事件比例(P/C)相比,即可得到抑制系数(P/C)un/(P/C)。P为能谱中1 173, 1 332 keV两条伽马射线的峰面积之和,C为能谱中214~963 keV的康普顿本底面积。为了达到最好的脉冲波形识别效果,在模拟的过程中尝试了不同长度的时间门之后,确定短积分门为40 ns,而长积分门300 ns时效果最好。尝试将长积分门继续增长时,效果没有明显变化。最终从模拟结果中提取出的抑制系数为3.50(5)。
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摘要: 本工作研制了一套由圆柱形LaBr3(Ce)主晶体和井形CsI(Tl)次晶体组成的叠层伽马探测器,该探测器主要用于鉴别来自LaBr3(Ce)主晶体的康普顿散射光子并进行反符合测量。两种不同的晶体耦合到同一个光电倍增管上。入射辐射沉积在每一层探测器的能量,可以通过PMT给出的信号脉冲形状差异进行识别。利用Geant4模拟结果,验证了脉冲形状甄别性能和康普顿散射抑制效果。利用60Co伽马源对探测器进行了实验测试,测试结果表明,该探测器本底抑制系数为2.33(1),达到了康普顿本底抑制两倍以上的预期目标。
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关键词:
- 紧凑式叠层伽马探测器 /
- LaBr3(Ce) /
- CsI(Tl) /
- 脉冲形状甄别 /
- 蒙特卡罗模拟
Abstract: In this work, a compact phoswich detector consisting of a cylindrical LaBr3(Ce) principal crystal and a well-shaped CsI(Tl) sub-crystal was designed and assembled to identify and reject Compton scattering in the LaBr3(Ce). Two different crystals coupled to the same photomultiplier tube (PMT). The energy deposition in each layer from incident radiation is then determined via digital pulse shape analysis of the PMT’s pulses. The results of Geant4 simulations were used to verify the performance of the pulse shape identification and the effect of Compton background suppression. Experimental tests were conducted on the detector prototype using a 60Co gamma source, and the result shown that the detector background suppression coefficient was 2.33(1) which achieved the expected purpose of twice as much as the Compton background was suppressed.-
Key words:
- phoswich gamma-ray detector /
- LaBr3(Ce) /
- CsI(Tl) /
- pulse shape identification /
- Monte Carlo simulation
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