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利用
$\gamma $ 射线放射源对所设计的探测器进行性能研究,采取如下方案进行测试:长条形CsI(Tl)晶体被均匀的标记出几个照射位置,每两个位置相距10 mm,使用被光阑准直过的137Cs$\gamma $ 射线放射源对晶体条的每个位置进行照射,通过双端均耦合SiPM的方式收集放射源照射每个位置时的信号,实验中比较测试了相同晶体尺寸不同包装材料和相同包装材料不同晶体尺寸的探测器性能,即对分别使用Teflon、Tyvek、ESR包裹的5 mm×5 mm×80 mm CsI(Tl)晶体和ESR包裹的5 mm×5 mm×60 mm、5 mm×5 mm×80 mm和5 mm×5 mm×100 mm CsI(Tl)晶体探测器进行比较测试。除电源外的完整探测器测试系统如图2所示,整个测试系统主要包括五部分:探头部分、
$\gamma $ 射线放射源部分、光阑准直器部分、暗箱及信号读出电子学部分。探头部分在第2章节中已经给出了详细的介绍,此处不再赘述。实验测试中选用137Cs
$\gamma $ 射线放射源对CsI(Tl)晶体条进行照射,为了保证$\gamma $ 射线照射晶体条的位置精度,使用尺寸为80 mm×80 mm×50 mm,中心位置留有Ф2 mm孔径的铅质光阑作为放射源的准直器,准直器与放射源完全贴合,可作为整体沿着晶体条方向移动来照射晶体条的不同位置。探测器、准直器和放射源部分均被放入铝合金材质的暗箱里,达到避光和减少环境噪声影响的目的。此外,为了排除温度对探测器及其他部分性能的影响,整个测试过程在恒温的环境下进行。图2也给出了信号读出电子学框图,由晶体两端的SiPM引出的原始信号经过ORTEC公司的成形放大器572A成形并放大后分成两路信号,其中一路双极性信号送入PHILLIPS公司的744实现信号的反向,反向后的信号再进入恒分甄别器CF8000对信号做甄别处理。然后,两端的甄别信号送入ORTEC公司的CO4020符合插件进行符合,得到的符合信号送入CAEN公司的12位模拟-数字转换器(ADC)V785N中,作为ADC的门信号。572A引出的另一路单极性信号直接送入ADC的测量通道进行幅度测量。最后的数据获取采用VME系统来完成。 -
$\gamma $ 射线入射到晶体中,会以产生闪烁光的形式沉积能量,闪烁光在晶体中传播时遵循指数形式衰减[14]:其中:λ表示闪烁光的衰减长度;x为光传播的距离;N0表示
$\gamma $ 射线与晶体发生相互作用时产生的光子数;N(x)表示闪烁光传播x距离后的光子数。根据式(1),可以变化$\gamma $ 源照射晶体条的不同位置来研究探测器的性能。设CsI(Tl)晶体条的长度为L,
$\gamma $ 射线与晶体的相互作用位置距晶体条中心位置(中心位置为x=0)为x,产生的总光子数为N0,闪烁光传播到晶体条两端的光子数分别为N1和N2,SiPM1和SiPM2测得的信号幅度分别为E1和E2,如图3所示。可得到:联立式(2)和式(3)得:
由于N1和N2分别与E1和E2成正比,则通过双端SiPM测得的信号幅度可以确定入射
$\gamma $ 射线的总能量:其中p为常数。
通过双端SiPM测得的幅度信息E1和E2来构建如下的比值关系[15-17]:
式中:k为常数,用来平衡两个SiPM的增益,即k应满足当放射源照射晶体条的中心位置时,k=E1/E2。由文献[15-17]可知,R与放射源实际照射晶体条的位置x成线性关系:
其中q和b为常数。因此,利用这种方式可以得到放射源照射晶体条的实际位置和位置分辨率。
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利用式(5),可得到分别使用Teflon、Tyvek和ESR包裹的5 mm×5 mm×80 mm CsI(Tl)晶体探测器的总能谱。图4为放射源照射每个探测器的中心位置时的总能谱。从图中可以看出,三个探测器得到的能谱基本相同,662 keV的全能峰清晰,且都明显地测到了32 keV的X射线峰。
当放射源照射三种包装材料下的探测器其他位置时,同样也可以得到每个位置所对应的能谱。对能谱中的662 keV峰进行高斯拟合,可以得到每个照射位置下的探测器半高全宽(FWHM)能量分辨率,如图5所示。可以看出,对于同一探测器不同照射位置时所对应的能量分辨率变化不大。此外,对于使用三种不同包装材料的探测器,每个位置对应的能量分辨率差别也不明显。表1给出了分别使用Teflon、Tyvek和ESR作为包装材料时,探测器七个位置的平均能量分辨率。数据表明,采用ESR包装的能量分辨率最好,Tyvek次之,Teflon最差,但三种包装材料下的差别并不显著。
包装材料 能量分辨率
(FWHM)/%位置分辨率
(FWHM)/mm光衰减长度/
mmTeflon 5.6 3.2 99.8 Tyvek 5.4 4.4 142.4 ESR 5.2 5.2 210.3 根据式(6),可得出每个照射位置对应的R值,如图6中的(a)、(c)和(e)分别展示了三种包装材料的探测器七个照射位置的R谱。对每个位置的R谱进行高斯拟合,可得到峰位和FWHM。将得到的峰位与实际照射位置组成数据点,FWHM作为误差棒,并对数据点进行拟合,可得到图6中的(b)、(d)和(f),从图中可以看出三种情况下线性均非常好。根据线性拟合结果以及式(7),可以计算得到
$\gamma $ 射线与探测器的实际作用位置及探测器的位置分辨率。图7给出了使用三种包装材料时,探测器每个照射位置对应的位置分辨率(FWHM)。从图中可以看出,对于同一探测器,七个不同照射位置所对应的位置分辨率差别并不大,但不同包装材料下的晶体探测器,每个照射位置所对应的位置分辨率差别明显。对探测器七个位置的位置分辨率求平均,可得到探测器的平均位置分辨率,即Teflon、Tyvek和ESR分别包装的晶体探测器的平均位置分辨分别为:3.8, 4.8和5.6 mm。此外,扣除准直器2 mm孔径的影响,可得到探测器的固有位置分辨率,将结果列入表1中。可以看出分别使用上述三种包装材料下的探测器,位置分辨率有较大差别。
不同包装材料的探测器所得到的单端能谱和总能谱中662 keV峰位随放射源照射位置的改变而变化的曲线如图8所示。图中的k即式(6)中的k参量,用来平衡探测器两端的增益。当改变放射源的照射位置时,单端能谱中的峰位会呈现出明显的单调变化,这表明闪烁光在晶体中衰减较明显。但利用式(5)计算得到的总能谱中的662 keV峰位几乎不会发生改变,这也验证了利用双端读出方式测能量的方法是稳定的,与位置无关。利用式(2)及式(3),拟合两端能谱中662 keV峰位随照射位置变化的曲线,可分别得到两端测得的闪烁光在CsI(Tl)晶体中的衰减长度,对二者进行平均进而得到平均光衰减长度。表1中给出了CsI(Tl)晶体分别在三种包装材料下的平均光衰减长度。可以看出,包装材料对探测器的光衰减长度影响较大。此外,使用三种不同包装材料时,探测器的位置分辨率和光衰减长度之间表现出明显的相关性,即光衰减长度越短,探测器的位置分辨率越好。其中,使用Teflon包装时位置分辨率最佳,但光衰减长度明显变短,这意味着对低能
$\gamma $ 射线的探测效率可能会降低。考虑到使用ESR时位置分辨率已经能够达到指标的要求,我们选用ESR作为包装材料,这样能够提高对低能$\gamma $ 射线的探测效率。从以上的测试结果可以看出,包装材料对晶体探测器的性能有一定的影响,这主要是由于不同包装材料对光的反射方式不同所造成的。当闪烁光在晶体中传播时,除了在晶体自身表面反射外,还夹杂着在反射材料上的漫反射或镜面反射(取决于包装材料)。Teflon和Tyvek均为漫反射材料,而ESR为镜面反射材料。当放射源照射晶体的某个位置时,距离照射位置较近的一端会收集到较多的光子,进而信号幅度会相对较大,最终反映到单端所得能谱中662 keV的峰位道数上。由于镜面反射和漫反射的反射方式不同,因此,包装漫反射材料的晶体相比于包装镜面反射材料的晶体来说,会出现距离照射位置较近一端所得能谱中662 keV的峰位道数与距离照射位置较远一端所得能谱中662 keV的峰位道数差别更加明显的情况,这便使包装漫反射材料晶体比包装镜面反射材料晶体的光衰减长度要短。如图8所示,单端能谱中662 keV峰位道数随放射源照射位置变化而变化的明显程度符合上述分析。由于不同的反射方式对总能谱中662 keV的峰位影响不大,因此,图8中的三角形数据点的纵坐标值差别并不明显,此峰位能够反应出探测器对光的收集程度,光收集是影响探测器能量分辨率的一个重要因素。由于总能谱中662 keV的峰位变化不大,使得三种包装材料对探测器能量分辨率的影响也不显著,这就可以解释为什么三种不同包装的探测器能量分辨率差别不大。此外,对于探测器的位置分辨率,其主要受到光衰减长度和能量分辨率的影响。位置分辨率可以用σx =σR/q来表示,其中q为式(7)中的斜率,主要由光衰减长度决定,σR与能量分辨有关,是通过高斯拟合R谱后所得到的FWHM。由于三种包装下的探测器能量分辨率相差不大,使得R谱的宽度差别并不显著(见图6的(a)、(c)和(e)),而光衰减长度差别明显,使得R谱的峰位差别较大(见图6的(a)、(c)和(e)),进而使得q值差别较大(见图6的(b)、(d)和(f)),这就使得三种包装材料下的探测器位置分辨率有较明显差别。
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CsI(Tl)晶体条的尺寸分别为5 mm×5 mm×60 mm、5 mm×5 mm×80 mm和5 mm×5 mm×100 mm,均使用ESR作为包装材料,可构建三个
$\gamma $ 射线探测器。使用与3.3.1节相同的方法可以得到每个探测器在不同位置的能量分辨率和位置分辨率,如图9和图10所示。从图中可以看出,三种尺寸的晶体的测试结果具有较好的一致性,在不同位置下的能量分辨率,均呈现出中间较好两端略差的趋势,而位置分辨率均呈现出中间较差两端略好的趋势。对不同位置下的测试结果求平均,可以得到探测器的平均能量分辨率、平均位置分辨率和平均光衰减长度,见表2。可以看出,三种晶体尺寸的探测器,平均能量分辨率、平均位置分辨率以及平均光衰减长度均没有显著差异。晶体尺寸/
mm×mm×mm能量分辨率
(FWHM)/%位置分辨率
(FWHM)/mm光衰减长度/
mm5×5×100 5.4 5.2 192.5 5×5×80 5.2 5.2 210.2 5×5×60 5.0 5.0 213.4
Study of the ${\gamma} $ -Ray Detector of Dual-ended Readout Based on SiPM
doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC03
- Received Date: 2019-11-25
- Accepted Date: 2019-12-31
- Rev Recd Date: 2019-12-31
- Available Online: 2020-09-30
- Publish Date: 2020-09-20
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Key words:
- dual-ended readout /
- silicon photomultiplier /
- CsI(Tl) crystal /
- energy resolution /
- position resolution
Abstract: At present, study of the novel Compton telescope with high sensitivity has great scientific significance. The calorimeter, as one of the important components of the Compton telescope, is required to have excellent energy resolution and position resolution. For this purpose, a CsI(Tl)
Citation: | Xiangman LIU, Shuwen TANG, Wufeng LIU, Zhiyu SUN, Yuhong YU, Wei WANG, Ruofu CHEN, Junling CHEN, Yongjie ZHANG, Fang FANG, Duo YAN, Shitao WANG, Xueheng ZHANG, Jianwei LU, Bingqian ZHOU. Study of the |