CsI(Tl)对高能质子能量响应的蒙特卡罗研究

聂鹏煊，汪一夫，郑涛，范凤英，史帆，祝兆文

CsI(Tl)对高能质子能量响应的蒙特卡罗研究

聂鹏煊，汪一夫，郑涛＊，范凤英，史帆，祝兆文

（北京大学物理学院 核物理与核技术国家重点实验室，北京 100871）

在放射性核束物理的实验研究中，需要对核反应产物进行测量和鉴别，以获取反应过程中的重要信息。使用GEANT4软件对CsI(Tl)闪烁体探测器对高能质子的能量响应进行了蒙特卡罗模拟，以确定这种探测器用于探测能量范围10MeV-150MeV质子的能量响应。通过对晶体外表面包覆材料反射率、耦合光敏二极管面积、质子射程等条件的模拟和分析，找到了提高CsI(Tl)闪烁体探测器性能的方法。

CsI(Tl)；无机闪烁体；GEANT4；蒙特卡罗模拟；高能质子

放射性核束物理是近20年发展起来的核物理基础研究新领域，已经发现了非稳定核的一系列量子多体新现象，诸如晕结构、集团和分子结构、奇异形状和集体运动、奇异衰变模式等等[1～5]。北京大学核物理实验组在对奇异氦同位素6He、8He的原子核结构的实验研究中做了一系列的工作[6～10]。在进一步的实验研究中，我们需要对直接核反应中产生的碎片特别是高能质子进行探测，以获取反应过程中的重要信息。

铊激活碘化铯(CsI(Tl))闪烁晶体具有密度大、发光效率较高的优点，而且与其他闪烁体相比易于加工保存，且价格较低，因此在核物理和高能物理的实验中作为带电粒子和γ射线探测器被广泛地使用[11～13]。

在通过用LISE软件[14]对6He，8He碎裂反应进行反应动力学计算后，我们发现，直接碎裂反应中出射质子的能量分布范围很宽，约为10～150MeV，在CsI(Tl)晶体中的对应的射程是0.6～85.8mm。高能质子在CsI闪烁中有很长的射程，这就意味着需要增大CsI(Tl)晶体的体积。在一般情况下闪烁体体积越大分辨就会越差。因此，CsI(Tl)探测器能否满足实验对探测器分辨率的要求成为一个需要解决的问题。

我们使用GEANT4程序对CsI(Tl)闪烁晶体探测器进行了进行了多个方面的模拟，找到一种提高CsI(Tl)晶体能量分辨的方法。GEANT4程序是由欧洲核子研究中心(CERN)的IT、API小组开发的对粒子物理和核物理探测器进行蒙特卡罗模拟的工具包[15]。自从1999年发布以来，其模拟结果的正确性得到了诸多实验的证实。

1 对CsI(Tl)探测器的蒙特卡罗模拟

1.1 CsI(Tl)探测器的工作原理

带电粒子或γ射线入射进闪烁体内时，会使得闪烁体物质原子（分子）电离、激发。这些被激发的原子（分子）在退激过程中会发光，这些光被称为荧光。使用光电倍增管（PMT）或光敏二极管（PD）探测这些荧光，可以将荧光转化为电荷信号。通过电荷灵敏前置放大器将信号放大，再通过主放大器对信号进行成形和放大，我们就可以获得能够处理的关于入射粒子的能量信息了。这就是闪烁体探测器的探测原理。

我们使用CsI-PD组合作为探测器，在对CsI(Tl)闪烁探测器进行测试时，实验装置如图1所示。

图1 测试CsI(Tl)探测器的实验装置

对于CsI(Tl)闪烁体探测器来说，会影响探测器性能的因素有很多，比如包装的方式，光耦合的方式以及信号读出的方式等等。我们需要对探测器进行模拟，从而确切的了解各种因素到底对CsI(Tl)晶体探测器性能的影响，从而找到提高探测器性能的方法，使得CsI(Tl)探测器的性能能够满足实验的要求。

1.2 模拟程序G4CsI

整个G4CsI程序的结构如图2所示。程序的控制是由GEANT4系统所提供的G4RunManager类来控制的。其他的类是针对CsI-PD探测器Geant4中相应基类的派生类。其中G4CsIDetectorConstruction类定义CsI探测器；G4CsIPrimaryGeneratorAction产生入射粒子及入射粒子的动力学信息的；G4CsI PhysicsList类定义了粒子与探测器介质发生相互作用时所经过的物理过程的；G4CsIEvent Action，G4CsIRunAction，G4CsI Stepping Action可以用来控制可获取模拟过程中的信息；G4CsITrackerHit类是用来处理粒子在探测器中的击中等信息的；G4CsITrackerSD类是设计出的一个接口类，用来输出模拟中各种所需要的数据和信息的。

1.3 探测器的定义

图2 G4CsI程序的结构图

表1 CsI(Tl)闪烁晶体参数[16]

探测器的定义是在G4VUserDetectorConstrucion的派生类 G4CsIDetectorConstrucion中完成的。CsI(Tl)晶体的几何形状为长方体，尺寸为25mm×25mm× 150mm。晶体周围环境为真空环境。在晶体的后表面耦合一块方形光敏二极管，窗材料为玻璃。在光敏二极管和晶体之间是一层厚度为1mm的硅脂，用来做光导。

晶体表面的类型定义为抛光背面涂层（polishedbackpainted）。CsI与硅脂之间的表面以及硅脂与二极管之间表面类型设定则是的是抛光（polish）。CsI(Tl)晶体参数见表1。

模拟过程如图3所示。①一定能量质子由前表面入射，在晶体中主要是通过电磁相互作用沉积能量。②沉积的能量又会转化为一定数量的闪烁光子发射。我们假定质子在其径迹上产生的闪烁光子数目正比与能损。③闪烁光子在晶体内传播，在界面处发生反射或者折射。④传播中若光子进入光敏二极管则认为光子已输出。

图3 CsI探测器对质子的能量响应过程图示

为了提高CsI探测器光输出和能量分辨率，就需要知道探测器的各种属性对光输出和分辨率的影响。本文分析了影响光输出和分辨率的几个因素，下面分别说明。

1.4 晶体表面反射率对光输出和分辨率的影响

探测器表面包装方式对探测器性能的影响，表现在不同包装方式之间最重要的区别就是表面反射率的不同。

我们在程序中将光敏二级管的灵敏面积定为18mm×18mm（与实验测试中拟采用的PD面积相同），几何中心与晶体后表面中心共线。为了简化程序，设定CsI闪烁光谱内不同能量的闪烁光子在晶体表面有相同的反射率。将入射质子能量设置为30MeV，令质子由晶体前表面中心位置入射，动量方向垂直前表面，每种反射率下模拟10000个事件。依次改变晶体表面的反射率，可以得到表2中的结果。

表2 不同晶体表面反射率时的光输出和分辨率

图4 光输出和分辨率与晶体表面反射率的关系

图5 光输出和分辨率与探测器中光敏二极管面积的关系

在图4中可以看到，当晶体表面的反射率提高时，光输出和分辨率都有显著的改善，分辨率随表面的反射率增加线性减少。通过改善包装方式、尽可能地提高晶体表面材料的反射率可以提高CsI(Tl)晶体探测器的性能。

1.5 光敏二极管灵敏面积对光输出和分辨率的影响

影响探测器性能的另一个重要因素就是与CsI(Tl)晶体配套的光二极管。下面将要讨论光二极管的尺寸对探测器的性能有着怎样的影响。

模拟光敏二极管面积与光输出和分辨率的关系时，我们在程序中将表面反射率设置为固定值，入射质子能量设置为30MeV。令质子由晶体前表面中心位置入射，动量方向垂直前表面。改变光敏二极管的接收面积，每次进行10000个事件的模拟。可以得到表3中的结果。

表3 使用不同面积的光敏二极管时的光输出和分辨率结果

由图5中可以明显看到，面积较大的光敏二极管有着较高的光输出和较好的能量分辨率。而且由光输出和光敏二极管面积成良好线性，可知CsI(Tl)后表面光子分布比较均匀。这就意味着我们在选择与晶体配套的光二极管时应尽量选择灵敏面积较大的，而对于光二极管在晶体表面的耦合位置对于探测器的性能影响并不是很灵敏。

1.6 相同能量不同发光深度的光输出

质子能量不同，其射程和在晶体内Bragg峰的位置也会不同[17]。而且能量在Bragg峰处沉积最大。也就是说高能质子的在晶体内引起的荧光，并不是在其射程上平均分配的，而是会在某一深度非常集中。我们需要了解这种情况会对探测器对能量的响应造成怎样的影响。为了研究在CsI晶体中不同深度的闪烁光输出情况，模拟时将入射质子的产生位置设定在晶体内部不同深度。沉积能量统一设为3MeV。在每种深度下，进行10000个事件的模拟，结果见表4和图6。

表4 晶体表面反射率为75%与95%时不同深度发光的光输出结果

图6 不同反射率下发光深度同光输出的关系

由此可以看出，当晶体表面反射率较低时，光输出与发光深度明显正相关，发光深度越深光输出会越好。发光深度不同会带来光输出的非线性情况。对于实验来说，这种情况会破坏探测器能量相应的线性。

而当晶体表面反射率足够高时，在相当大的深度范围内，光输出与发光深度并没有明显的相关性，这种情况下在实验时意味着探测器能量响应的线性良好。

这种现象可以做如下解释：光输出实际由两部分光子组成，第一部分是没有经过反射直接被光二极管收集到的；第二部分是经过界面反射后再被光二极管收集到的。发光点距离光二极管的距离越大，第二部分光子所占的比例也就越大。当晶体表面反射率不够高时，这部分光子的数目会随着反射次数的增多急剧衰减。因此在表面反射率不高时光输出对于发光深度会比较敏感。

综合以上对CsI(Tl)探测器的不同属性的模拟可以知道，为了提高探测其性能光敏二极管选择应该选择灵敏面积尽量大的光敏二极管，最好与CsI晶体表面尺寸相同，这样可以增大光输出并提高能量分辨率；对CsI(Tl)晶体进行包装时应该尽量提高晶体表面的反射率，也可以提高光输出和能量分辨率，而且可以提高不同能量质子的刻度曲线的线性。

1.7 模拟探测器对高能质子的响应

模拟探测器对目标能量范围内的质子响应情况时，同样使用两种晶体表面反射率作对比，反射率分别设置为75%和95%。

首先是反射率为75%的模拟。对于质子束流的模拟，我们设定质子的初始位置在半径为1.0cm的圆形区域中随机分布，初始能量在 E-0.01E～E+0.01E之间平均分布，动量方向与Z轴方向的夹角在-20～20之间平均分布。束流经过30mm真空后打到CsI晶体上。改变质子能量E，对每种能量进行10000个事件的模拟，可以得到表5中的结果。

表5 反射率为75%时不同能量下的光输出和能量分辨率

图7 （a）反射率为75%时的刻度曲线 ；（b）反射率为75%时能量分辨率与能量的关系

首先看探测器的分辨率，在图7b中可以看到，CsI(Tl)晶体探测器的分辨率会随着能量的提高而变好，分辨与能量的关系可以表示为ΔEE∝E。

对于图中两条刻度曲线：较长的一条的是使用全部数据线性拟合得到的；较短的一条则是除去150MeV的数据线性拟合做出的，图中三角形的点就是有这条刻度曲线外推到150MeV时得到的。可以看到，150MeV处的数据点要高于外推点，包含有150MeV数据的曲线斜率要略大于另一条曲线。这是因为晶体包装层反射率不是太高，导致了深处的发光收集要好于浅层的发光。所以能量高穿透力强的质子总体的发光收集率要高于能量低的质子，导致了高能的质子出现在刻度曲线上方的情况。将晶体表面反射率调高，设置为95%，束流和其他模拟条件同上，每种能量条件下进行10000个事件的模拟，可以得到表6中的结果。

表6 反射率为95%时不同能量下的光输出和能量分辨率

图8 （a）反射率为95%时的刻度曲线；（b）反射率为95%时能量分辨率与能量的关系

如图8所示，当晶体表面反射率增大时，分辨率与能量的关系还是很好呈现出与能量的1/2次方反比的关系，即ΔEE∝E，在高能量上会获得高能量分辨率。而且此时峰位与能量的线性关系明显好于表面反射率低时的情况，这也就证明了前面关于表面反射率影响探测器对能量响应的解释。

2 结论

通过模拟，可以看到，为了提高CsI探测器的能量分辨率和能量刻度的线性，应该尽可能提高CsI晶体的包装反射率；增大光敏二极管的面积，尽可能与CsI晶体表面尺寸相符。根据模拟结果，我们对CsI(Tl)探测器的能量响应和分辨进行优化，使其满足在对6He、8He的原子核结构的实验研究中探测高能质子的需要。

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Monte Carlo Simulation of Energy Response of CsI(Tl) to High Energy Proton

NIE Peng-xuan, WANG Yi-fu, ZHENG Tao, FAN Feng-ying, SHI Fan, ZHU Zhao-wen
(School of Physics& State Key Lab of Nuclear Physics and Technology, Peking University, Beijing 100871, China)

In the experimental study of radioactive nuclear beam physics, it is of necessity to measure and identify the nuclear reaction products to so as to get the detailed information in the reaction process. A Monte Carlo simulation code based on GEANT4 software is developed to study the energy response of a CsI(Tl) detector in detecting protons with energy ranging from 10MeV to 150MeV. By analysis of the parameters such as reflectivity of the surface, area of photodiode and range of proton, , we find a way to improve the performance of CsI(Tl) scintillation detector.

CsI(Tl)；inorganic scintillator；GEANT4；Monte Carlo simulation；high energy proton

O571. 2

A

1009－5160(2010)02－0027－06

*通讯作者：郑涛（1970-），男，博士，研究方向：原子核物理与核技术.

国家重点基础研究发展计划（973计划）项目（2007CB815002）；国家自然科学基金项目（10405002，10975010）；国家基础科学人才培养基金（J0730316）.