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基于Mesytec公司的MVME数据获取系统,对NRF谱仪探测器的能量分辨和稳定性进行了测试。表1展示了各个探头在662,1 173和1 332 keV处的能量分辨,其性能指标优异,可以满足实验需求。Canberra公司的电制冷HPGe探测器采用了脉冲管制冷方式,其中CLOVER探测器是国内首台采用这种电制冷方式的探头,制冷器的振动会对探头能量分辨和稳定性产生一定的影响。为了监测NRF谱仪探测器长时间工作稳定性,对其进行14 h的连续数据采集,单组数据采集时间为10 min,每组数据采集间隔10 s,测试结果如图4所示。在测试时间内S-HPGe探测器能量响应的抖动小于0.04%,ClOVER HPGe探测器能量响应的抖动小于0.02%,可见谱仪探测器系统的能量响应十分稳定。能量分辨随着能量抖动几乎同步变化,说明其主要受到泊松统计分布的影响,故而具有相对稳定的能量分辨率。
表 1 核共振荧光(NRF)谱仪HPGe探测器能量分辨和相对效率(能量分辨单位为keV)
探测器 晶体
编号半高全宽
@ 662 keV半高全宽
@ 1 173 keV半高全宽
@ 1 332 keV相对
效率/%#1 Clover #C1 1.83 3.36 3.41 22.6 #C2 1.69 3.03 3.02 22.1 #C3 1.68 2.88 2.92 22.3 #C4 1.67 2.38 2.44 22.7 #2 Clover #C1 2.55 2.10 2.18 23.3 #C2 2.30 1.95 2.03 22.1 #C3 1.91 2.00 2.01 22.4 #C4 2.06 1.98 2.00 23.1 #1 S-HPGe 2.30 3.16 3.16 105 #2 S-HPGe 2.67 3.13 3.11 105 伽马射线(0.2~7.0 MeV)与锗的主要相互作用过程是康普顿散射[5]。在CLOVER探测器中,伽马射线可在单个晶体中沉积全部能量,也可能通过康普顿散射在相邻的晶体中沉积其部分或剩余能量,或者直接逃离探测器系统[3]。这种多重事例的能量沉积在时间上是关联的,因此可以通过时间符合技术,将一定时间窗口下多个晶体的能量沉积进行加和(Add-back),继而重建出全能峰,这便是CLOVER探测器所特有的Add-back工作模式;反之,利用反符合技术将多个晶体同时测量到的信号去除(Reduction)以压制康普顿本底,则为Reduction工作模式。相应地,将CLOVE的每个晶体都当作一个独立探测器的工作模式即为直接(Direct)工作模式。
利用标准刻度放射源(60Co、137Cs 、152Eu)对1#CLOVER探测器的Add-back特性进行了研究,标准源的能量范围为210~1 410 keV。数据采集过程中60Co、57Co和137Cs刻度源与探头入射窗正对,距离约5 cm,152Eu由于活度较高,因此与入射窗距离约 15 cm,以防止探测器接收到的事例率过高而产生脉冲堆积。实验采用了Mesytec MDPP-16脉冲采样器和MVME数据获取系统,4个晶体中每个事例的能量沉积和时间信息分别通过对应通道的梯形滤波和时间滤波后,由ADC和TDC记录下来。标准源测试表明,HPGe探测器的相对效率好于100%,能量分辨好于0.3%@1 332 keV。图5展示了CLOVER探测器在Direct模式和Add-back模式下对以上四种放射源的能谱响应,以及重建之后的4种事例类型(一重事例、二重事例、三重事例和四重事例,伽马光子在N个晶体内沉积能量,则为N重事例)。Add-back重建的时间窗设置为62.5 ns,此时间窗口下的事例(事例数
$\leqslant$ 晶体数)被认为是由同一个伽马光子产生。相比于4个探头独立工作的Direct模式,Add-back模式将原本属于康普顿坪的信号还原成一个全能峰,因此可以降低康普顿坪高度,尤其是在较低能量处下降更多;而全能峰计数会明显增加,例如在1 173 和1 332 keV处,Add-back重建后的全能峰计数明显增大(图5中插图所示)。图6对比了Reduction模式和Direct模式下的能谱,以及相邻探头的康普顿散射光子贡献的事例(即Add-back事例),可见Reduction模式下康普顿平台显著降低。图7(a)展示了Add-back模式下四种事例类型的占比,此工作模式下全能峰效率的提升主要是由二重事例贡献,二重事例占比随能量的提高而显著增大,在1 460 keV处超过了15%。因此可见,随着测量伽马能量的增加,单个晶体不能完全沉积伽马能量,相邻晶体测量到剩余能量的几率显著增加,这就是高能伽马射线全能峰探测效率逐渐降低的原因。图7(b)黑色实心点为Add-back模式和Direct模式峰总比的比值,从其变化趋势亦可看出Add-back对全能峰的贡献随着能量的增加而增大。Reduction模式和Direct模式峰总比的比值[图7(b)红色方块]同样随着能量的上升呈现逐渐上升趋势,这是由于Reduction模式虽然没有贡献全能峰计数,但是压制了康普顿本底计数。
引入与入射伽马光子能量相关的Add-back因子F,可以定量描述CLOVER探测器在Add-back模式下全能峰效率的提升[7],
$$ \varepsilon^{}_{\mathrm{tot}}=\sum\nolimits_i \varepsilon^{}_i+f \times \sum\nolimits_i \varepsilon^{}_i=(1+f) \times \sum\nolimits_i \varepsilon^{}_i=F \times \sum\nolimits_i \varepsilon^{}_i\text{,} $$ (1) 其中∑i εi为Direct模式下的效率;ƒ×∑i εi为CLOVER探测器Add-back重建后得到的二重事例、三重事例和四重事例之和;ƒ为附加因子。实验测得的Add-back因子F与伽马能量(210~1 460 keV)的关系如图8所示,拟合采用了三次函数。在1 460 keV处,Add-back因子F约为1.22,说明此处多重事例贡献了约22%的全能峰效率,与峰总比的比值21%接近。
对于工作在Direct模式和Reduction模式下的CLOVER探测器,能量分辨在忽略载流子俘获和弹道亏损的情况下可表示为[7]
$$ \begin{split} \\ {\delta }^{2}E={N}^{2}+{\alpha }^{}_{1}{E}_{\gamma } \text{,} \end{split}$$ (2) 其中
$ {N}^{2} $ 为探头晶体和前放电子学的贡献,与伽马能量无关;${\alpha }^{}_{1}{E}_{\gamma }$ 为电荷收集项,上式将四个晶体当作了完全相同的独立工作模块,忽略了其间的串扰。在Add-back工作模式下,康普顿散射光子会穿过n个晶体(1$ \leqslant$ n$ \leqslant$ 4),相应的能量分辨(δE=FWHM)为$$ {\delta }^{2}E=\sum\nolimits _{n=1}^{4}{P}_{n}\left(n{N}^{2}+{\alpha }^{}_{n}{E}_{\gamma }\right) \text{,} $$ (3) 其中
$ {P}_{n} $ 为四种类型事例的占比见图7(a),${\alpha }^{}_{n}$ 用于描述$ n $ 重事例下的电荷收集。从实验测试结果[图5、图7(a)]可以看出,在~1.5 MeV伽马能量以下,三重事例和四重事例的占比可以忽略(在更高能区,康普顿散射光子的能量足够高,将使得三重/四重事件不可忽略),故式(3)可以写为$$ {{\delta }}^{2}E=\frac{1}{F}\left({N}^{2}+{{\alpha }}^{}_{1}{E}_{{\gamma }}\right)+\frac{F-1}{F}\left(2{N}^{2}+{{\alpha }}_{2}{E}_{{\gamma }}\right) \text{,} $$ (4) 式中:系数1/F和(F–1)/F分别为一重事例和二重事例的概率;F为Add-back 因子。
图9即为标准刻度源对应的能量下,对Direct模式(一重事例)以及Add-back模式下二重事例的线性拟合结果,拟合得到的
$ n{N}^{2} $ 和${\alpha }^{}_{n}$ 值见表2。由于拟合误差较大,使得二重事例下的$ n{N}^{2} $ 略大于一重事例的两倍。将图8中的三次拟合函数和表2中的数据代入式(4)中,即可估算出Add-back模式下的能量展宽,能量分辨计算曲线如图9中蓝线所示,尤其是在高能区与重建后 Add-back模式下的能量分辨符合得很好。低能区拟合得到的能量分辨远大于理论计算所得,并且此能区Direct模式和Reduction模式下的能量分辨符合得很好,可见这是由于Add-back在低能端引入了一定偶然符合。表 2 拟合得到的
$ \mathit{n}{\mathit{N}}^{2} $ 和$ {\mathit{\alpha }}_{\mathit{n}} $ 的值$ n $ = 1 $ n $ = 2 $ n{N}^{2} $/keV2 3.90 10.96 ${\alpha }^{}_{n}$/keV 2.19×10−3 2.23×10−3 在能谱测量中,伽马光子的(全能峰)探测效率会随着其能量升高而下降,高能伽马康普顿坪会淹没强度较弱的低能伽马射线全能峰,这会严重影响低能量伽马射线的测量和识别,如核共振荧光信号和核素特征伽马射线,Add-back模式可以降低康普顿坪,提高全能峰计数,可以起到和反康探头类似的效果。在CLOVER探测器中,随着所探测的伽马光子能量升高,非全能量沉积事件(二重事例、三重事例和四重事例)比例增大,Add-back重建带来的全能峰效率提升也增大,代价是损失了一定的能量分辨(但其能量分辨仍能保持在0.3%@662 keV以内),并且效率提升越大,能量分辨损失也越大。Reduction模式虽然全能峰效率不及Add-back模式,但其拥有和Direct模式同等水平的能量分辨(图9),同时压低了康普顿坪,使得峰总比有所提升。
Nuclear Resonance Fluorescence Spectrometer Design and Detector Performance Analysis of Shanghai Laser Electron Gamma Source(SLEGS)
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摘要: 核共振荧光(NRF)实验可对光核反应低激发能级进行研究。上海激光电子伽马源(SLEGS)设计、建造了一组由2台大尺寸同轴高纯锗(HPGe,
$\phi $ 80 mm×70 mm)探测器和2台CLOVER HPGe(4×$\phi $ 50 mm×70 mm)探测器组成的核共振荧光谱仪,大尺寸HPGe探测器获得了大于100%的相对效率和好于0.3%@1 332 keV的能量分辨率。谱仪采用Mesytec MDPP-16数字脉冲处理器及MVME获取系统,以读取和记录HPGe前置放大器输出信号的幅度和时间信息。研究了CLOVER HPGe探测器在加和(Add-back)模式和去除(Reduction)模式下的性能提升,结果表明,Add-back重建可以显著提高全能峰效率和峰总比,在1 460 keV能量处,Add-back重建后的全能峰效率可以提高21%以上。由于Add-back重建引入了多个晶体之间的耦合,导致探测器能量分辨稍有下降。而Reduction模式可以降低康普顿峰,提高峰总比,并保持和直接(Direct)工作模式同等水平的能量分辨,但是损失了一定的全能峰效率。-
关键词:
- 核共振荧光谱仪 /
- CLOVER探测器 /
- Add-back模式 /
- Reduction模式
Abstract: Nuclear resonance fluorescence(NRF) experiments can be used to study the low excitation energy levels of photonuclear reactions. Shanghai Laser Electron Gamma Source(SLEGS) designed and constructed a NRF spectrometer consisting of two large-scale coaxial high-purity germanium(HPGe,$\phi $ 80 mm×70 mm) detectors and two CLOVER HPGe(4×$\phi $ 50 mm×70 mm), the large-scale HPGe detectors obtained relative efficiency greater than 100% and energy resolution better than 0.3%@1 332 keV. The spectrometer adopts Mesytec MDPP-16 digital pulse processor and MVME acquisition system, which can read and record the amplitude and time information of the HPGe preamplifier output signal. The Add-back mode and Reduction mode of the CLOVER HPGe detector are studied. Results show that Add-back reconstruction can significantly improve the full-energy peak efficiency and peak-to-total ratio, the full-energy peak efficiency after Add-back reconstruction can be improved by more than 21% at 1 460 keV energy. The detector energy resolution is slightly degraded due to the coupling between multiple crystals introduced by the Add-back reconstruction. Whereas at reduction mode, it can reduce the compton peak, improve the peak-to-total ratio, and maintain the energy resolution as good as the Direct mode, however, a certain amount of full energy peak efficiency is lost. -
表 1 核共振荧光(NRF)谱仪HPGe探测器能量分辨和相对效率(能量分辨单位为keV)
探测器 晶体
编号半高全宽
@ 662 keV半高全宽
@ 1 173 keV半高全宽
@ 1 332 keV相对
效率/%#1 Clover #C1 1.83 3.36 3.41 22.6 #C2 1.69 3.03 3.02 22.1 #C3 1.68 2.88 2.92 22.3 #C4 1.67 2.38 2.44 22.7 #2 Clover #C1 2.55 2.10 2.18 23.3 #C2 2.30 1.95 2.03 22.1 #C3 1.91 2.00 2.01 22.4 #C4 2.06 1.98 2.00 23.1 #1 S-HPGe 2.30 3.16 3.16 105 #2 S-HPGe 2.67 3.13 3.11 105 表 2 拟合得到的
$ \mathit{n}{\mathit{N}}^{2} $ 和$ {\mathit{\alpha }}_{\mathit{n}} $ 的值$ n $ = 1 $ n $ = 2 $ n{N}^{2} $/keV2 3.90 10.96 ${\alpha }^{}_{n}$/keV 2.19×10−3 2.23×10−3 -
[1] 王宏伟, 范功涛, 刘龙祥, 等. 原子核物理评论, 2020, 37(01): 53. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019043 WANG Hongwei, Fan Gongtao, LIU Longxiang, et al. Nuclear Physics Review, 2020, 37(01): 53. (in Chinese) doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019043 [2] LÖHER B, DERYA V, AUMANN T, et al. Nucl Instr and Meth A, 2013, 723: 136. doi: 10.1016/j.nima.2013.04.087 [3] HAO Z R, FAN G T, WANG H W, et al. Nucl Instr and Meth A, 2021, 1013: 165638. doi: 10.1016/j.nima.2021.165638 [4] 郝子锐, 范功涛, 刘龙祥, 等. 核技术, 2020, 43(11): 61. doi: 10.11889/j.0253-3219.2020.hjs.43.110501 HAO Zirui, FAN Gongtao, LIU Longxiang, et al. Nuclear Techniques, 2020, 43(11): 61. (in Chinese) doi: 10.11889/j.0253-3219.2020.hjs.43.110501 [5] 王俊文, 范功涛, 刘龙祥, 等. 核技术, 2019, 42(12): 20. doi: 10.11889/j.0253-3219.2019.hjs.42.120201 WANG Junwen, FAN Gongtao, LIU Longxiang et al. Nuclear Techniques, 2019, 42(12): 20. (in Chinese) doi: 10.11889/j.0253-3219.2019.hjs.42.120201 [6] VLASE S, BORZA P N, SULIMAN G, et al. Acoustics and Vibration of Mechanical Structures (avms-2017), 2018, 198: 263. doi: 10.1007/978-3-319-69823-6_31 [7] DUCHENE G, BECK F A, TWIN P J, et al. Nucl Instr and Meth A, 1999, 432(1): 90. doi: 10.1016/S0168-9002(99)00277-6 [8] WANG H L, SONG L T, ZHAO W J, et al. Chinese Phys C, 2010, 34(3): 379. doi: 10.1088/1674-1137/34/3/014 [9] EBERTH J, SIMPSON J. Progress in Particle and Nuclear Physics, 2008, 60(2): 283. doi: 10.1016/j.ppnp.2007.09.001 [10] ZHANG N T, LEI X G, GUO Y X, et al. Journal of Physics G:Nuclear and Particle Physics, 2013, 40(3): 035101. doi: 10.1088/0954-3899/40/3/035101 [11] ZHANG Ningtao, LEI Xiangguo, ZHANG Yuhu, et al. Chinese Physics Letters, 2012, 29(4): 042901. doi: 10.1088/0256-307x/29/4/042901 [12] Mesytec MDPP-16 [EB/OL]. [2022-03-19]. http://www.mesytec.com/products/nuclear-physics/MDPP-16.html. [13] CAEN V1725 Digitizer [EB/OL]. [2022-03-19]. https://www.caen.it/products/v1725/.