GECAM伽马探测器康普顿电子能量响应研究

江环　颜兵

摘  要：引力波暴高能电磁对应体全天监测器由两颗相同的微小卫星组成，旨在完成对引力波事件伴随出现的伽马射线及其他高能天体暴发事例。作为主要载荷，GRD探测器使用LaBr3晶体耦合SiPM阵列探测X/γ射线。本文主要利用广角康普顿散射符合技术研究其电子能量响应特性。结果表明，双掺溴化镧的GRD探测器对伽马与电子的响应在低能区，随能量减小而增加。

关键词：GECAM;溴化镧;康普顿电子;非线性响应

中图分类号：P111                  文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）20-0059-03

Study on Compton Electron Energy Response of GECAM Gamma Detector

JIANG Huan YAN Bing

（1.School of Information Engineering， Jiangxi University of Science and Technology， Ganzhou  341000， China; 2.Shool of Information and Communication Engineering， North University of China， Taiyuan  030051， China）

Abstract： The Gravitational Wave High-energy Electromagnetic Counterpart All-sky Monitor （GECAM） is composed of two identical microsatellites. Its main goal is to complete the monitoring of the Gamma-Ray Bursts （GRBs） coincident with Gravitational Wave （GW） events and other high-energy celestial bodies outbreak instances. As the main load， the GRD detector uses LaBr3 crystal coupled SIPM array to detect X/γ ray. In this paper， the electron energy response characteristics are studied by wide-angle Compton scattering coincidence technique. The results show that the response of double lanthanum bromide doped GRD detector to gamma and electron increases with the decrease of energy in the low energy region.

Keywords： GECAM; LaBr3; Compton electron; nonlinear response

0  引  言

引力波暴高能電磁对应体全天监测器（The Gravitational Wave High-energy Electromagnetic Counterpart All-sky Monitor， GECAM）是中国在2018年立项的监测与引力波（GW）相关的伽马暴（GRB）事件的新任务[1]，主要科学目标是探测和定位引力波事件发射的8 keV～2 MeV的X射线和伽马射线。GECAM由两颗相同的微小卫星组成，每颗卫星由25个伽马探测器（GRD）和8个荷电探测器（CPD）组成。作为GECAM的主要载荷，GRD由直径为76.5毫米、厚度为15毫米的溴化镧（LaBr3）晶体和64片硅光电倍增管（SiPM）构成的阵列耦合组成[2]，对其进行能量线性刻度是后续能量重建的基础。这里我们采用广角康普顿散射技术（WACC）[3]测量其对电子的能量响应，并采用放射源的特征伽马射线测量其对伽马的响应。

Swiderski等人[4]已经给出单掺LaBr3晶体的电子和伽马光子能量响应特性：伽马能量减少到大约100 keV时，单位能量的光产额开始减小，而电子的光产额在20 keV是才开始明显减小。但是对于双掺晶体的特性还并未见报道。本文主要应用广角康普顿符合技术测量了使用双掺LaBr3晶体的GRD探测器能量为20 keV～250 keV康普顿电子的能量响应，并与伽马光子的全能峰响应结果进行对比。

1  实验设置

1.1  探测器和电子学

如图所示，广角康普顿散射符合装置由GRD探测器和高纯锗（HPGe）探测器组成，两者保持在同一高度以极近的距离相对放置，由于没有准直器的影响，具有比较大的立体角。通过调整137Cs放射源的位置来确定对应的散射角和散射电子能量区域，铅砖用于屏蔽放射源直射高纯锗探测器，造成偶然符合过多。

高纯锗探测器偏置电压设为-3.5 kV，信号经过前置放大器后传递到主放大器Ortec 572A，高斯成型时间设置为2微秒，单极信号端口输出到flash ADC DT5751 和低阈甄别器N844 中产生输入信号的过阈逻辑门信号。GRD工作在28 V电压下，信号经过自身前置放大器放大10倍后，高增益通道信号传输到扇入扇出模块。一路直接输入到DT5751，另一路经由低阈甄别器产生逻辑门信号。

GRD探测器和高纯锗探测器的逻辑门信号同时传输到符合模块N455，经过逻辑与运算产生一个逻辑信号输出到DT5751作为外触发信号。数据采集系统DT5751根据产生的双重符合外触发信号来记录两个探测器同时沉积能量的事例波形数据。两个探测器的波形数据以10bits分辨率，1 V动态范围，1GS/s采样率对应存储，以供后续数据处理。

1.2  全能峰响应

数据分析的第一步是对两个探测器进行能量刻度，将波形的面积和幅度转换为相应的伽马能量。HPGe和GRD探测器在每次测量前，都使用241Am（59.6 keV）和137Cs（662 keV）对其进行刻度。HPGe探测器具有优秀的能量分辨率，测试得到在0.2 keV@59.54 keV，1.46 keV@662 keV。对于现有实验设置，测量康普顿电子精度达到10 keV。

数据分析的第一步是对探测器进行能量刻度，将散射事例的波形面积和幅度转换为相应的伽马能量。为了消除不同电路连接的影响，不改变散射实验装置的线路连接，通过将外触发符合模式切换到自触发模式，使用相同设置来测量不同放射源的全能峰能谱，可以得到GRD探测器不同能量下的相对光产额结果。一系列能量范围从32 keV到662 keV的标准放射源用于研究探测器的响应特性，LaBr3晶体具有自发放射性37.4 keV[5]的低能X射线。最后将相对光产额归一化到662 keV，得到GRD探测器的全能峰响应特性。放射源列表及其能量见表1。

1.3  测量方法

康普顿散射技术测量康普顿电子响应的原理是在第一级的GRD散射探测器中记录伽马射线散射电子产生的信号，然后在第二级的高纯锗探测器中沉积后续散射光子的剩余能量。散射光子和散射电子的能量都是散射角的函数，广角康普顿散射符合通过应用极近的几何近距离和较大的立体角，同时测量记录多个散射角度的散射事例，大幅度地提高实验数据采集效率。

因此，通过从已知的伽马射线源能量E_γ中减去散射到HPGe探测器中的散射光子能量E_HPGe，我们可以计算沉积在散射探测器中的散射电子能量E_GRD。

最终，实验测试得到的大多数符合事例都是散射探测器中的康普顿散射电子和HPGe探测器中散射光子的相互作用的符合事例。将高纯锗探测器和GRD探测器中沉积的能量映射到二维散点图后如图3所示。

根据能量守恒原理，可以很容易地注意到其中的倾斜结构，其中每个点对应于一个在GRD和HPGe探测器之间的康普顿散射事例，倾斜结构中的事例的能量由相应的伽马源发射的伽马能量E_γ给出。图中的其余事例来源：

（1）γ射线在周围环境物体上散射后检测到的符合。

（2）水平结构是由于¹³⁸La衰变能量37.4 keV的偶然符合。

（3）GRD探测器SiPM热噪声信号的偶然符合。

广角康普顿散射符合技术允许通过使用相对短时间内测量的数据，在较宽的电子能量范围内获得探测器的散射电子响应性能。

1.4  非线性的定义

辐射探测器的非线性通常是指测量峰值位置与理论峰值位置的比率，其中“理论”值是指用能量沉积成线性的理想探测器测量结果。由于HPGe探测器具有优秀的能量分辨率和能量响应线性，通过从已知的伽马射线源能量中减去散射到HPGe探测器中的散射光子能量，可以计算出沉积在散射探测器GRD中的散射电子能量。而实际测量的康普顿电子的相对光产额是通过对HPGe探测器能量应用窄能量cut以确定对应的散射电子能量得到的。将对应的GRD探测器能量数据投影到散射探测器能量轴上，反映GRD散射探测器中散射电子沉积的能量分布。

如果探测器的能量响应是线性的，那么总和能量E_Sum的就等于放射源能量，不会发生偏移。E_Sum的偏移是GRD探测器和HPGe探测器能量非线性响应共同作用的结果。但是对应于散射光子的高能区，可以忽略高纯锗探测器能量响应非线性的影响，认为总和能量E_Sum的偏移都是由散射探测器GRD的非线性响应造成的。高纯锗探测器能量cut宽度越窄则GRD探测器散射电子能量越精确，但是数据统计量会相应减少，需要根据实际情况选择合适的cut宽度。根据总和能量偏移ΔE_Sum和散射探测器GRD非线性偏移ΔE_GRD之间的几何关系，散射探测器EGRD处的非线性NL可以由下式得到：

2  实验结果

按照广角康普顿散射符合技术，使用137Cs源测量得到散射事例的波形数据，对GRD探测器的散射电子非线性响应进行研究分析。对于现有实验设置，测量康普顿电子精度能低至10 keV。我们关注研究的GRD探测器的低能区域，对应于HPGe探測器的具有优秀线性响应的高能区。图4显示了通过应用上一章节中描述的数据处理方法，对高纯锗探测器能量E_HPGe应用10 keV能量宽度cut得到对应的GRD探测器的散射电子响应的结果，并与单能伽马放射源的伽马光子直接响应结果进行对比。

与之前报道的单掺GRD探测器的全能峰响应随着伽马能量的增加而响应相对增加的结果[6]不同。对比广角散射方法和全能峰的能量响应结果，可以看到双掺探头的趋势一致，都是随着电子能量的增加而响应相对减小。总体来说，GRD探测器的响应趋势在大部分的能量区间能量响应只改变了5%，具有优良的能量响应线性。

3  结  论

GRD探测器作为GECAM的主要载荷，使用了单掺（Ce）和双掺（Ce和Sr）两种溴化镧晶体和SiPM阵列组成伽马探测器，探测和定位伴随引力波出现的X/γ射线。在此项研究中，使用137Cs放射源下应用广角康普顿符合技术，实现在相对短的时间内，达到有效检测连续散射电子能量下的双掺杂GRD探测器能量响应非线性的目的。结果表明，双掺杂LaBr3晶体的散射电子与γ光子响应趋势相同，对于低于100 keV的能量范围，电子响应在测量的能量范围内略有5%变化，GRD探测器在电子能量范围内总体表现出良好的线性特性，符合设计预期，满足在轨工作需要。这项课题的进一步研究仍在进行中，期望未来在低温环境下能够降低噪声得到更低的能量阈值的响应特性，以及对其他闪烁体的电子能量响应特性。

参考文献：

[1] 李新乔，文向阳，安正华，等. GECAM卫星有效载荷介绍 [J]. 中国科学：物理学 力学 天文学，2020，50（12）：84-100.

[2] LV P，XIONG S L，SUN X L，et al. A low-energy sensitive compact gamma-ray detector based on LaBr3 and SiPM for GECAM [J/OL].Journal of Instrumentation，2018（13）：[2021-05-09].https：//iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-0221/13/08/P08014.

[3] ROEMER K，PAUSCH G，HERBACH C M，et al. A technique for measuring the energy resolution of low-Z scintillators [C]//Nuclear Science Symposium Conference Record.Orlando：IEEE，2009：6-11.

[4] SWIDERSKI L，MARCINKOWSKI R，SZAWLOWSKI M，et al. Non-Proportionality of Electron Response and Energy Resolution of Compton Electrons in Scintillators [J].IEEE Transactions on Nuclear Science，2012，59（1）：222-229.

[5] QUARATI  ，KHODYUK I V，EIJK C，et al. Study of 138La radioactive decays using LaBr3 scintillators [J].Nuclear Inst & Methods in Physics Research A，2012，683：46-52.

[6] ZHANG D，LI X，XIONG S，et al. Energy response of GECAM gamma-ray detector based on LaBr3 ：Ce and SiPM array [J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A：Accelerators，Spectrometers，Detectors and Associated Equipment，2019，921：8-13.

作者簡介：江环（1989.12—），男，汉族，湖北洪湖人，硕士在读，研究方向：伽马探测器。