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为了研究SiPM读出的大面积薄塑料闪烁体探测器的时间性能,我们研制了测试样机。测试样机选用了美国Eljen Technology公司生产的两种型号的塑料闪烁体,表1列出了两种塑料闪烁体的型号、尺寸、以及一些相关参数[17]。两种塑料闪烁体具有10 cm×10 cm的有效面积和相对较薄的厚度,满足RIBLL2起始时间探测器所需的尺寸要求。
型号 尺寸/(cm×cm×cm) 发光效率/(photons·MeV–1·e–) 最大发射波长/nm 上升时间/ns 衰减时间/ns EJ212 10×10×0.05 10 000 423 0.9 2.4 EJ232 10×10×0.1 8 400 370 0.35 1.6 测试样机采用多支SiPM双端读出,SiPM型号为中国滨松公司生产的S13360-3050PE。表2列出了其在室温条件下相关性能参数[18],其光谱响应的峰值波长为450 nm,可有效匹配塑料闪烁体的发射光谱。SiPM将被固定在特制的PCB电路板上,通过跳线可方便地改变SiPM的数量及连接方式。SiPM与塑料闪烁体之间采用硅脂耦合,测试中将工作于室温条件下。
有效面积/(cm×cm) 相素点个数 光谱响应范围/nm 峰值波长λp/nm 光子探测效率λ=λp/% 增益 击穿电压VB/V 工作电压/V 0.3×0.3 3 600 320~900 450 40 1.7×106 53±5 VB+3 图1给出了待测样机的SiPM读出电路及相应电子学框图。测试过程中会采用多支SiPM串行连接方式对闪烁光进行读出,因此样机的高压电源需要具有较大的工作电压及工作电流,我们选用了德国Wiener公司生产的EHS F030P电源模块提供高压,其可提供最大+3 000 V的工作电压和3 mA的工作电流,以及<10 mV电源纹波,这些指标可满足SiPM的供电要求。高压模块提供的高压将经过一个1.5 kΩ的保护电阻加到SiPM阵列上,阳极信号经过一个10 nF的隔直电容输入到具有20倍增益的快时间放大器FTA820C上。小的电容容值,可以有效减小读出电路的RC常数,使信号获得快的上升时间,利于时间测量。快时间放大器输出的信号将被分为两路,其中一路经过30 m长的延迟线后送入VME获取系统中的CAEN V965 QDC模块记录其电荷量;另一路经过CF8000恒分甄别、GG8000延迟后送入CAEN V755 TDC模块中记录时间信息。CF8000的触发比为0.4,内部延迟时间将根据信号的上升时间进行调整,调整依据为信号上升时间的0.6倍;TDC量程设置为150 ns,对应道宽为36.6 ps。样机两端信号经过符合后,提供给VME数据获取系统作为系统的触发信号。
样机的性能测试是在常温下、大气环境中利用239Pu α源测试完成的。239Pu可衰变产生5.157 MeV的α射线,高的射线能量可产生较大的输出信号,有效提高测试效率。由于α粒子射程较短,为了使α粒子能量能够尽可能多地沉积到塑料闪烁体中,两种塑料闪烁体的外表面均未包装反射层。测试前,选取一张与塑料闪烁片同等大小、厚度~0.5 mm的矩形硬纸片,以中心为起点,在水平和竖直两个方向上每间隔2 cm标记一个点,共得到25个标记点,将这25个标记点用针扎成~Φ3 mm的小孔,然后将此硬纸片轻覆于塑料闪烁上。测试过程中将α源直接置于硬纸片的各个小孔上,利用小孔对α射线进行准直,通过对不同位置的时间信息进行测量,可研究粒子入射位置对时间分辨的影响。
Time Performance Study of Plastic Scintillator Detector with SiPM Readouts
doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC53
- Received Date: 2020-01-13
- Rev Recd Date: 2020-04-09
- Available Online: 2020-09-30
- Publish Date: 2020-09-20
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Key words:
- time-of-flight detector /
- plastic scintillator /
- silicon photomultiplier /
- time resolution
Abstract: In this paper the time performance of a plastic scintillator detector with an area of 10 cm×10 cm and read out by multiple silicon photomultipliers (SiPMs) at both ends was studied. The results tested with a 239Pu source are shown as: (1) the time resolutions became better gradually with the increase of the quantities of SiPMs connected in series; (2) when the number of 12 SiPMs was fixed, the time resolutions got worse as the number of parallel branches were increased; (3) the detector time resolutions can be effectively improved by using a fast-time plastic scintillator and adding its thickness; (4) to improve the positional uniformity of the time resolution, the scintillator with larger dimensions than beam spots should be used; (5) a resolution less than 131 ps was achieved with a 0.1 cm thickness EJ232 scintillator detector read out on each side by 12 SiPMs conncted in series. This study has importance significance for the upgrading of the start detector at RIBLL2.
Citation: | Bingqian ZHOU, Xueheng ZHANG, Fang FANG, Duo YAN, Shuweng TANG, Yuhong YU, Shitao WANG, Yongjie ZHANG, Xiangman LIU, Yixuan ZHAO, Shuya JIN, Zhong LIU, Zhiyu SUN. Time Performance Study of Plastic Scintillator Detector with SiPM Readouts[J]. Nuclear Physics Review, 2020, 37(3): 749-756. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC53 |