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本工作对现有Si-box阵列的探测效率进行了模拟,其中实验数据选取的反应道是 175Lu(40Ar,4n)211Ac。实验是在兰州重离子加速器国家实验室(HIRFL)进行的。利用电子回旋共振(ECR)离子源产生能量为189 MeV的强流重离子束流40Ar11+,经扇聚焦回旋加速器(SFC)加速后,轰击质量厚度为400 μg/cm2的175Lu靶,进而发生熔合蒸发反应,通过4 n反应道产生激发能为20.5 MeV的211Ac并注入到PSSD中,随后在其中发生衰变放出能量为7.47 MeV的α粒子。实验得到的α粒子在PSSD的位置分布如图2(a)所示,α能谱如图3(a)所示,探测器能量分辨为40 keV。基于内参考源刻度后,提取了每块硅对能量为7.47 MeV的α粒子的绝对探测效率(见表1)。
表 1 现有Si-box阵列的α探测效率结果对比
探测器类型 模拟值/% 实验值/% PSSD 54 54 SSD1 2.50 2.04 SSD2 6.30 2.75 SSD3 2.50 1.37 SSD4 2.48 1.99 SSD5 6.29 3.81 SSD6 2.46 1.33 SSD7 2.39 2.04 SSD8 2.34 1.49 求和 27.3+54=81.3 17.8+54=71.8 为了在模拟中再现实验结果,首先,采用SolidWorks以1:1的比例构建了Si-box探测阵列的模型(见图1);其次,通过SRIM[23-24]程序对反冲余核注入PSSD的过程进行了模拟,得出能量为20.5 MeV的211Ac在PSSD中的注入深度为3.83 µm。因此,在对Si-box阵列的探测效率模拟过程中,设置211Ac核在PSSD中的注入深度为3.83 µm,衰变过程放出的α粒子能量为7.47 MeV。根据实验时的束流情况及PSSD在7.47 MeV下的能量分辨,模拟时源的类型采用全空间各向同性α源,以高斯分布布居在PSSD的灵敏面积内,设置PSSD的能量分辨为40 keV,模拟的事件总数为105个。如图2所示,α粒子在PSSD上位置分布的模拟结果很好地重现了实验数据。此外,针对该α粒子的能谱也进行了模拟,结果如图3所示,同样再现了实验探测到的α粒子全能峰及其探测器的能量分辨。
对Si-box阵列探测效率的模拟过程中,由于反冲余核种类繁多且伴随有大量本底,因此实验过程中很难得知注入PSSD中反冲余核的数目,这为准确测量PSSD的探测效率带来了困难。本工作中,考虑反冲余核注入深度和α粒子的能量及射程后,用SRIM模拟得到PSSD的探测效率为54%,故在模拟时假定PSSD的α探测效率为54%。表1中分别给出了Si-box阵列探测效率的实验数据和模拟结果,其中SSD的序号对应图1中的序号,SSD探测效率计算方法如下
$$ \varepsilon_{\rm SSD} = \frac{\text { 全能峰计数 }_{\left({\rm E_- PSSD+E_- S S D}\right)}}{\text { 全能峰计数 }_{{\rm E_- P S S D}}}\times 54 {\text{%}}. $$ (1) 通过比较发现Si-box阵列的模拟值与实验测量值总体符合较好,但模拟结果高于实验值,原因可能是来自模拟或探测器的电子学性能。
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Ge探测器阵列的空间布局见图1,其中CLOVER探测器在铝腔体的正后方,另外2个HpGe探测器分别在铝腔体的侧方和下方。如图4所示,实验测量时,分别将三种不同的标准
$ \gamma $ 源(60Co,133Ba,152Eu)放置于铝腔体正前方距PSSD 112.1 mm处,每一种源的测量时间为10 min,各$ \gamma $ 源能谱如图5(a~c)所示。基于实验数据,我们提取了CLOVER探测器的绝对探测效率(如图6所示),其中实验测量误差由误差传递公式[25]计算得到。在模拟过程中,我们分别对CLOVER探测器的能谱和探测效率均进行了模拟。如图5所示,$ \gamma $ 能谱的模拟结果很好地再现了实验数据在低能区域产生的康普顿平台,以及放射源的各条$ \gamma $ 射线特征峰。由于模拟的物理过程中没有考虑X射线的产生过程,故实验中在低能端探测到的X射线峰(图5中红色框所示)没有出现在模拟的结果中。使用GEANT4 对CLOVER探测器模拟得到的效率曲线如图6中的实线所示,模拟结果很好地再现了实验数据。综上所述,通过分别比较Si-box探测阵列和CLOVER探测器的模拟结果与实验数据,证实了本工作所建立的GEANT4物理模型的正确性和可靠性,可用于对新探测系统的模拟计算。
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如图7所示,拟新建的硅盒探测阵列与现有的Si-box探测阵列空间布局类似。为进一步提高该阵列对重核素α衰变粒子的探测效率,将采用Micron公司生产的BB17型号的双面硅条位置灵敏型探测器(DSSSD)、W4型号的位置灵敏型硅探测器以及MSX25型号的非位置灵敏型硅探测器。其中DSSSD的灵敏面积为48 mm
$ \times $ 128 mm,正面被水平等分为48条,每条长度为128 mm,背面(欧姆面)被竖直等分为128条,每条的长度为48 mm,正面、背面的条宽均为1 mm,将探测器分成128$ \times $ 48个1 mm$ \times $ 1 mm的小区域;W4型号硅探测器将替换原SSD探测器,其灵敏面积为120 mm$ \times $ 63 mm,正面被竖直等分为8条,每条的长度为63 mm,宽度为15 mm;MSX25型号硅探测器将作为反符合(VETO)探测器,灵敏面积为50 mm$ \times $ 50 mm。考虑到DSSSD上的排针对搭建探测器的影响,W4型号探测器与DSSSD的距离为6.6 mm,而在SHANS谱仪原有的Si-box探测阵列中,SSD与PSSD的距离为1.6 mm。新Si-box探测阵列与外部也是通过铝制腔体进行隔离,隔离窗厚度为1.5 mm。新Si-box探测阵列的α模拟与原Si-box阵列模拟时的条件相同,该阵列探测效率的模拟结果如表2所列,结果表明,其最大探测效率可达:33.8%+54% = 87.8%,比现有的Si-box阵列的α总探测效率提高了6.5%。
表 2 新Si-box探测阵列的α探测效率结果
探测器类型 模拟值/% DSSSD 54 W4型探测器1 6.26 W4型探测器2 6.16 W4型探测器3 6.22 W4型探测器4 6.10 W4型探测器5 4.54 W4型探测器6 4.56 求和 33.8+54=87.8 -
新探测系统中,在Si-box探测阵列正后方将继续使用CLOVER探测器,但与原探测系统不同的是HpGe探测器的数目将增加至4个(位于铝腔体四周),且所有Ge探头与铝腔体的距离拉近至2 mm(见图8)。CLOVER探测器及HpGe探测器的晶体尺寸、探测效率、能量分辨等参数与焦平面原探测系统采用的Ge探测器一致。
在对新Ge探测阵列的模拟过程中,粒子源采用注入型全空间各向同性的
$ \gamma $ 源,其注入深度设置为3.83 µm,对0~1 500 keV能量范围内的探测效率进行了模拟,结果如图9所示。可以发现,$ \gamma $ 的总探测效率在100 keV时达到最大,约为22%;其中对1 MeV的$ \gamma $ 射线全能峰的探测效率约为7%。
GEANT4 Simulation of the Focal Plane Detection Array of Gas-filled Recoil Separator
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摘要: 充气反冲核谱仪(SHANS)是目前国内合成缺中子锕系新核素、研究重核素α衰变性质的重要实验装置。为进一步提高焦平面探测阵列对重核素α衰变粒子和射线的探测效率,计划对现有探测装置进行升级。本文的主要工作是采用基于蒙特卡罗方法的GEANT4软件对现有的谱仪探测器阵列进行模拟,并与实验测量数据进行比较,以验证程序的准确性。结果表明,新探测系统对α衰变粒子的探测效率可达到88%左右,对能量在1 MeV的
$\gamma$ 射线全能峰的探测效率约为7%。Abstract: The gas-filled recoil nuclear separator SHANS(Spectrometer for Heavy Atoms and Nuclear Structure) is an important experimental device for synthesing new neutron-deficient actinide nuclides and studying α decay properties of heavy nuclides in China. In order to further improve the detective efficiency of the focal plane detector array for heavy nuclide α decay particles and$\gamma$ rays, we plan to upgrade the existing detection instrument. The main work of this paper is to simulate the existing detector array by using the GEANT4 software based on Monte Carlo method. In order to verify the accuracy of the program, the simulation was compared with the experimental data. The results show that the detective efficiency of the new detector system for α decay particles is about 88%, and the detective efficiency for$\gamma$ rays with an energy of 1 MeV is about 7%. -
表 1 现有Si-box阵列的α探测效率结果对比
探测器类型 模拟值/% 实验值/% PSSD 54 54 SSD1 2.50 2.04 SSD2 6.30 2.75 SSD3 2.50 1.37 SSD4 2.48 1.99 SSD5 6.29 3.81 SSD6 2.46 1.33 SSD7 2.39 2.04 SSD8 2.34 1.49 求和 27.3+54=81.3 17.8+54=71.8 表 2 新Si-box探测阵列的α探测效率结果
探测器类型 模拟值/% DSSSD 54 W4型探测器1 6.26 W4型探测器2 6.16 W4型探测器3 6.22 W4型探测器4 6.10 W4型探测器5 4.54 W4型探测器6 4.56 求和 33.8+54=87.8 -
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