对CsIT1晶体探测器传统的能量校准方法局限性的研究

粟春梅

摘  要：文章介绍了CsI（T1）晶体探测器能量刻度的传统方法，并对其局限性进行了研究，发现对大角度范围内的CsI（T1）晶体无法探测到的粒子或是只能探测到某个或某几个产额较高的粒子时，传统方法无法实现对所有粒子进行能量刻度。因此文章的研究具有重要的现实意义，对开创一种新的刻度CsI（T1）晶体探测器能量的方法起到了推动和促进作用。

关键词：CsI（T1）晶体探测器;能量刻度;局限性

中图分类号：TL814 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）02-0121-02

Abstract： This paper introduces the traditional method of energy calibration of CsI（T1） crystal detector， and studies its limitations. It is found that particles that cannot be detected by CsI（T1） crystals in a large angle range can only detect one， or a few high-yielding particles， the traditional method cannot achieve energy calibration of all particles. Therefore， the research in this paper has important practical significance， and it has promoted a new method for calibrating the energy of CsI（T1） crystal detectors.

Keywords： CsI （T1） crystal detector; energy calibration; limitation

引言

CsI（T1）晶体探测器是检测带电粒子的重要仪器[1]。它的优点有效率高、可塑性强、机械强度大，耐较高温、对重带电粒子阻止本领高[2]等优点，因此它被广泛应用于能量范围为10-100MeV/u的重离子核反应的放射性核物理实验中[3]。在这些应用中，CsI（T1）闪烁晶体用于检测粒子的沉积能量E，计算该能量需要对能量进行刻度，这是不可或缺的步骤。但是CsI（T1）的光输出L与能量E的关系复杂，不仅与粒子的质量数A有关，还与核电荷数Z有关，并且是一个非线性函数[4]，因此其能量刻度比较复杂。而CsI（T1）晶体探测器在核物理实验中被广泛应用，因此其标定问题受到了人们的关注。经过大量核物理实验的研究，多数情况会用到的或者普遍使用的CsI（T1）晶体探测器能量的刻度方法基本形成，但在具体实验中会发现，传统方法会存在一定的局限性，本文将对此进行说明。

1 探测器的结构

在具体实验中，用到的靶后粒子鉴别装置是△E-E探测器系统，该系统由双面Si微条探测器和CsI（Tl）阵列探测器组成。本文用到的CsI（Tl）阵列探测器是由8×8单元块的CsI（Tl）晶体组成。[5]每一个探测器单元都由CsI（Tl）晶体，光电倍增管两部分构成。CsI（T1）晶体由中国近代物理研究所生产，前表面为21mm×21mm、后表面为23.1mm×23.1mm。晶体的每个单元信号都可由光电倍增管单独读出。光电倍增管由Hamamamtsu公司制造，型号为R1213。从闪烁体出来的光子通过光导射向光电倍增管的光阴极，打出光电子，光电子经电子光学系统输入加速系统、聚焦后射向第一“打拿极”。每个光电子经过打拿极都会击出几个电子，这些电子再经过第二个打拿极，经过倍增射向第三打拿极，就这样一直下去，直到最后一个打拿极。如图1所示，因此最后射向阳极的电子达到最多，最终转变成电信号输出。[2]

2 传统的能量刻度方法及其局限性

CsI（T1）晶体探测器的能量刻度问题深受关注，但其刻度存在着很大的困难。主要是CsI（T1）晶体探测器的光输出与能量满足一个非线性的关系[6，7]，如式（1）。

式中A为原子核的质量数，Z为原子核电荷数，a0，a1，a2是需要确定的系数。一般的刻度方法是用实验测量数据，进行在线刻度。该方法在大部分情况下可以获得较好的拟合效果。但对于大角度的探测单元的能量刻度存在一定问题。由于有较多统计量的探测单元集中在零角度范围内，大角度探测单元很容易出现统计量不够的情况。为了进行大角度探测单元的能量刻度，一般也会采取磁场偏转束流或对所测量束流进行散焦扩大束流的发散面积来对其进行能量刻度。但这种方法也会存在一些弊端：该方法一般只能对有限角度内的探测单元进行能量刻度;同时传输到次级靶后的束流只有有限的几种核素，大角度的探测单元也很难获得更多的计数。由于这些困难，多数情况只采用靠近中间附近的探测单元的数据，大角度数据很多情况都是浪费了，非常可惜。

结合9Li的碎裂反应实验，传统的刻度方法要求在ΔE-Ch二维谱上挑选出清晰的带子，然后与计算得到的ΔE-E谱进行比对，从而得到对应于同一ΔE值实验得到的道数与计算得到的对应能量进而获得相应的拟合点。由于实验装置、实验条件、实验方法等的多重影响，在大多数试验中，并不能在64块CsI晶体上都能获得较为清晰的ΔE-Ch二维谱，更多的情况是处于中间位置的CsI晶体可以看到清晰的带子，如图2所示。大角度范围内的CsI晶体无法探测到粒子或是只能探测到某个或某几个产额较高的粒子。因此在这种情况下上述方法就无法对CsI晶体刻度，然而要对能检测到的所有粒子进行刻度更是无计于施。

3 结束语

本文结合具体的核物理实验中的数据处理存在的问题，通过对CsI（T1）晶体探测器的能量刻度传统方法的局限性研究，知道了传统的刻度方法可以解决大多数情况的刻度问题，然而对大角度范围内统计不足的情况还是很难刻度或者不能刻度，但是大角度范围内获取的数据对核物理实验的数据处理又具有重要意义。因此急需一种新的方法可以针对于大角度探测单元统计量不足的情况下仍然可以对CsI（T1）晶体探测器的探测单元进行能量刻度。因此在未来工作中，我们旨在寻找一种新的刻度方法，可以针对传统方法的局限性，做到能对统计量不够的情况进行刻度，避免实验数据的浪费，使实验数据的处理更具完整性与说服力。

参考文献：

[1]Qiao， R， Ye， YL，Wang， J et al.，A New Uniform CalibrationMethod for Double-Sided Silicon Strip Detectors， IEEE Trans. Nucl. Sci， 61（2014）596-601.

[2]復旦大学，等.原子核物理实验方法[M].北京：原子能出版社，1997.

[3]武大鹏，章学恒，杨彦云，等，中能重离子在位置灵敏CsI（Tl）探测器中能损与光输出响应的关系[J].核技术，2009，32（7）：550-555.

[4]Y. Larochelle， L. Beaulieu， B. Djerroud etal.， Energy-light relation for CsI（T1） scintillators in heavy ion experiments at intermediate energies，Nucl Instr and Meth A 348（1994）167-172.

[5]金仕纶，王建松，王猛，等，ΔE-E望远镜在9C碎裂反应上的应用[J].原子能科学技术，2012，46（4）：385-389.

[6]Larochelle Y， Beaulieu L， Djerroud B， et al. Energy-light relation for CsI（Tl） scintillators in heavy ion experiments at intermediate energies. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A， 1994，348：167-172.

[7]Kamanin DV， Wagner W， Ortlepp HG， A method for the intrinsic calibration of CsI（Tl） detectors. Nucl. Instr. and Meth A， 1998，413：127-137.

[8]马维虎.9Li集团态研究[D].兰州大学，2017.