雙端輸出塑料閃爍體探測器的符合關聯(lián)測試

皮本松 魏志勇 王 振 譚曉明 朱慶偉 余俊豪

1（南京航空航天大學 南京 210016）

2（蘭州理工大學 蘭州 730000）

雙端輸出塑料閃爍體探測器的符合關聯(lián)測試

皮本松1魏志勇1王 振1譚曉明2朱慶偉1余俊豪1

1（南京航空航天大學 南京 210016）

2（蘭州理工大學 蘭州 730000）

利用雙端信號輸出的塑料閃爍體與靈敏度高、時間響應快的硅光電倍增管構成塑料閃爍體探測器探頭，并與后端的數(shù)字化轉換器等電子學系統(tǒng)搭建成塑料閃爍體探測器系統(tǒng)。為了研究不同數(shù)據(jù)處理方法對真事件探測效率和能量分辨率的優(yōu)化，分別使用標準γ源60Co和137Cs對塑料閃爍體探測器系統(tǒng)進行測試。研究了關聯(lián)事件的符合時間窗對探測器真事件探測效率的影響，分析了波形的積分長度與脈沖信號甄別(Pulse Shape Discrimination, PSD)開窗法對能譜能量分辨率的改進。結果表明，在關聯(lián)事件的符合時間窗為15 ns時，真事件探測效率最佳，當波形積分長度為80 ns時，通過PSD開窗后能量分辨率由原來的53.38%優(yōu)化為42.21%。

塑料閃爍體，符合時間窗，真事件探測效率，PSD開窗，能量分辨率

1 塑閃探測器介紹

1.1 塑閃探測器探頭

基于塑料閃爍體的探測器探頭部分由塑料閃爍體和硅光電倍增管(Silicon photomultiplier, SiPM)組成。HND-S2塑料閃爍體脈沖上升時間τrise=0.7 ns，衰減時間τdecay=2.6 ns，脈沖半高寬FWHM=1.8 ns，塑料閃爍體內(nèi)平均氫碳原子比為1.1，這種塑料閃爍體比較適用于時間響應快的γ探測。

為了增加光收集效率，探測器使用兩端導角的塑料閃爍體[2]。由于塑料閃爍體存在自吸收效應，使透射發(fā)光光譜畸變，光譜范圍和強度均有一定程度的損失[3]。薄的塑料閃爍體可減少自吸收帶來的光損失，但是太薄又不足以全部吸收透射粒子能量。綜合考慮自吸收和粒子射程，探測器使用一種尺寸為30 mm(h)×30 mm(w)×130 mm(l)的塑料閃爍體。

SiPM作為中子探測器探頭的光電轉換器件，具有高增益、高靈敏度、低暗電流、低偏置電壓和尺寸較小等特點[4]。實驗中使用愛爾蘭SensL公司的C系列硅光電倍增管，尺寸為6 mm×6 mm，電壓典型值24.65 V，光收集波段300-800 nm，主峰位典型值420 nm，與塑料閃爍體主峰位423 nm能較好地符合。實驗測試中選取SiPM正常工作電壓27.8 V，基于印制電路板(Printed Circuit Board, PCB)的SiPM的電源濾波與信號輸出電路原理圖和實物圖如圖1所示。在塑料閃爍體表面均勻涂抹一層ZnS反射層，增加光在塑料閃爍體內(nèi)表面的反射率以提高光收集效率[2]，ZnS反射層厚度17.6 μm盡量減小粒子在反射層中的能量損失。涂有ZnS的導角塑料閃爍體實物見圖2。

圖1 SiPM電源濾波與信號輸出電路原理圖(a)和實物圖(b)Fig.1 Schematic (a) and practicality photograph (b) of the voltage filter and signal output circuit board, complete with 6 mm×6 mm SiPM.

圖2 ZnS反射層雙端導角塑料閃爍體Fig.2 Plastic scintillation with ZnS reflection layer and guide angle.

1.2 信號輸出電子學系統(tǒng)

I/V轉換單元的核心器件是AD8014運算放大器，AD8014具有低功耗、高帶寬的特點，而且電壓噪聲頻譜密度較低為3.5 nV/Hz，能夠有效增加輸出信號的信噪比，從而提高探測器的探測效率。

DT5751是由意大利CAEN公司研制的一種新型臺式波形數(shù)字化轉換器，具有4個10位采樣率109s-1通道，每個通道以單端MCX射頻同軸連接器輸入[5]。SiPM輸出的弱電流信號經(jīng)過電荷靈敏前置放大器放大和I/V轉換成易于測量的電壓伏值信號，DT5751將模擬信號轉換為數(shù)字信號通過專用PCI卡A2818輸入至計算機。

圖3 塑料閃爍體探測器系統(tǒng)Fig.3 The detector system for plastic scintillation detector.

由于實驗中使用的測試源均為豁免源，放射性活度較低，經(jīng)過準直后塑料閃爍體靈敏體積內(nèi)探測到的粒子數(shù)過少，降低了探測器的計數(shù)率，所以在初期的測試中并未使用準直器。但在理想情況下，如果測試源強度足夠大，則需要準直器對源粒子進行聚焦，增加探測器的位置分辨，理想情況下添加了準直器的塑料閃爍體探測器系統(tǒng)如圖3所示。

2 測試原理與方法

γ射線與物質(zhì)的相互作用主要有光電效應、康普頓效應和電子對效應這三種類型，因為構成塑料閃爍體的主要元素原子序數(shù)較低，所以在塑料閃爍體中γ射線主要發(fā)生康普頓效應[6]，本文測試中也主要以康普頓峰作為研究對象。

為了使塑料閃爍體充分接收放射源的輻射，將源置于閃爍體中間位置并距離側面5 cm以內(nèi)。實驗中分別采用60Co和137Cs標準γ源進行測試，兩個標準γ源單色性較好，活度分別為9×104Bq和9.9×103Bq。首先使用60Co標準γ源測試，模擬信號經(jīng)過數(shù)字化后輸出的波形見圖4，雜散信號水平普遍位于10 mV以下，為了扣除電子學噪聲以及環(huán)境本底對實驗的影響，在記錄數(shù)據(jù)時使用了閾值篩選，所選閾值為10 mV。而根據(jù)C系列SiPM產(chǎn)品說明書[7]，6 mm×6 mm尺寸SiPM從陰極端到陽極端的等效電容為3400 pF，與其推薦的電荷靈敏前置放大器電路共同構成的RC電路的時間特性較慢，導致測試中信號輸出的波形寬度為200-300 ns，與說明書[7]中波形寬度相近。時間寬度的增加更適合于需要提取波形能量信息的測試中，同時也有利于n/γ鑒別測試。

圖4 60Co源數(shù)字化波形Fig.4 Digital waveform of 60Co.

3 信號收集與數(shù)據(jù)處理

Wavedump軟件是中國科學院上海應用物理研究所提供，針對DT5751數(shù)字化轉換器固件的數(shù)字信號獲取軟件，采集精度1 ns與DT5751時間精度相匹配。Wavedump數(shù)字信號獲取軟件可以根據(jù)需要設置不同的閾值、基線、信號采集時間等參數(shù)，能滿足實驗中信號收集要求。

3.1 符合時間窗

符合測量技術[8]就是利用符合電路來甄別符合事件，并在不同探測器的輸出脈沖中把有時間關聯(lián)的事件選擇出來。由于實驗中使用單條塑料閃爍體進行測試，只需對雙端事件通過時間窗符合，有效篩選出真事件，從而增加探測器的真事件探測效率[9]。

理想情況下，光子在塑料閃爍體中傳輸速度約為0.5 c，圖5中，從光子產(chǎn)生到傳輸至兩端硅光電倍增管光接收面上時間差T為：

設發(fā)光點是任一硅光電倍增管的端面，則計時起點為塑料閃爍體的一側，由于塑料閃爍體長度為13 cm，則符合時間的理想值T為0.87 ns。

圖5 塑料閃爍體光傳輸Fig.5 Optical transmission diagram of plastic scintillation.

然而實驗使用的塑料閃爍體尺寸為30 mm(h)× 30 mm(w)×130 mm(l)，長度與縱向尺寸相差不大，同處于一個數(shù)量級，光信號在塑料閃爍體內(nèi)傳播的過程中可能在縱向表面存在多次反射的情況，而且SiPM的前置放大器輸出電路的時間特性較慢，導致信號輸出時間也變慢，所以不能簡單以理想情況來確定關聯(lián)事件的符合時間窗T。如圖6所示，選取不同的符合時間進行測試，得到塑料閃爍體探測器的真事件探測效率與符合時間的關系曲線?？梢钥闯觯瑢嶒灉y試的符合時間和理論計算值相差很大，在符合時間小于15 ns時，真事件探測效率隨符合時間的增大而急劇上升，當符合時間為15 ns時真事件探測效率是11.7%。而當符合時間大于15 ns時，真事件探測效率隨符合時間緩慢上升并逐漸趨于平緩。圖7是用標準γ源60Co分別選取不同符合時間測試得到的能譜，在符合時間為15-60 ns時，康普頓峰位不再變化，只有ADC臺階顯著增加，此時環(huán)境的本底噪聲起到主要作用。所以為了提高探測器真事件探測效率同時降低本底噪聲的影響，我們選取15 ns作為最合適的符合時間窗。

圖6 探測效率與符合時間關系曲線Fig.6 Curve of detection efficiency and time.

圖7 不同符合時間60Co γ能譜Fig.7 60Co γ spectra of different coincidence time.

使用符合測量技術是為了將塑料閃爍體兩端相互關聯(lián)的真事件篩選出來，但由于光子在塑料閃爍體內(nèi)部傳輸時，其能量會因為閃爍體的自吸收、散射、表面反射等因素逐漸損失[10]。所以還必須對雙端數(shù)據(jù)進行能量合并，假設左右兩端能譜積分分別為QL和QR，則使用合并算法Q=。實驗中，分別對標準γ源60Co和137Cs進行測試，并用符合時間窗15 ns對數(shù)據(jù)進行關聯(lián)事件篩選和雙端能譜合并，得到的能譜如圖8所示，較好地反映了其真實特征。

圖8 60Co與137Cs γ能譜比較Fig.8 Comparison of γ spectra between 60Co and 137Cs.

3.2 能量分辨率的優(yōu)化方法

實驗使用標準γ源60Co進行測試，γ能譜的能量分辨率定義為能譜的半高寬(Full Width at Half Maximum, FWHM)與脈沖幅度的百分比，能量分辨率計算方法為：

式中：EFWHM為能譜半高寬對應的能量；E為γ射線對應的能量。

由于塑料閃爍體中γ射線主要發(fā)生康普頓效應，所以利用康普頓峰計算能譜的能量分辨率[12-13]。

在實驗分析中，我們使用長門積分Qlong來計算能譜，Qlong值就是取一個適當?shù)臅r間范圍，在這個時間范圍內(nèi)對波形積分。但Qlong的不同積分長度對能譜圖有較大的影響，積分長度過小不足以反映波形的主要特征，積分長度過大則會增加噪聲對能譜的影響。

PSD圖是波形能量與PSD比值分布的二維圖，因為PSD是對每一個事件的計算，所以PSD二維圖也可以反映每個事件關于能量的分布特征[14]。測試中存在許多環(huán)境噪聲、電子學噪聲等造成的假事件干擾，從PSD二維圖中我們能清晰地看出事件的主要分布情況。能量較低時混入了較多低能區(qū)本底噪聲，又由于實驗測試使用的源在固定能區(qū)內(nèi)，所以能量過高時可能有更多宇宙射線的貢獻，影響能譜純凈性，而那些離散度較大的事件主要為假事件。因此，把能量過低和超出正常范圍以及PSD值過于分散的事件剔除就能得到更加干凈的事件分布，可以更真實地反映能譜的特征。測試中雖然閾值設置為10 mV，但仍有雜散信號、統(tǒng)計漲落等事件被記錄，所以通過PSD篩選粒子的原則是：能量上選取高于閾值同時低于能量過高可能受宇宙射線影響的事件，而上下邊界則要使粒子集中于主要分布趨勢，需要去掉離散事件。以測試中的60Co源為例，10 mV對應的能量為0.08 MeV，圖8中60Co能譜的主要特征在2 MeV以下，2 MeV以上的事件可能大部分為高能宇宙線等干擾。我們把篩選PSD二維圖中粒子分布的過程稱為PSD開窗。圖9中選擇合適的PSD開窗窗口，把窗口中的事件挑選出來作為繪制能譜圖的基本事件。

圖10計算了不同積分長度下60Co γ能譜的能量分辨率，并且比較了PSD開窗前后能量分辨率的變化。從圖10中可以看出能量分辨率隨Qlong明顯的變化趨勢，當積分長度在60-100 ns范圍內(nèi)時能量分辨率急劇減小，以80 ns為積分長度時能量分辨率達到極小值。由此可得，當脈沖波形的時間范圍在60-100 ns時，最能反映這個事件的真實特征。然而當積分長度繼續(xù)減小時，能量分辨率逐漸增大，此時是由于積分長度過小，沒有包含波形的主要區(qū)域，導致Qlong不足以表示波形的主要特征。而且當積分長度增大至160-200 ns時能譜的能量分辨率呈現(xiàn)逐漸平穩(wěn)的趨勢，這是因為整個波形的寬度約為200 ns，在積分長度接近這個范圍時，脈沖信號的尾沿部分臨近基線，在此范圍內(nèi)的積分不會有明顯改變，但是電子學噪聲以及硅光電倍增管的暗電流對信號的影響較大。如果以整個波形寬度積分，雖然能量分辨率不會明顯增大，但同時也會損失信號的真實性，造成最后得到的能譜不能反映出60Co標準源的特征。

圖9 PSD開窗方法Fig.9 Method of PSD window.

圖10 能量分辨率隨積分長度變化曲線Fig.10 Energy resolution curve with different integral length.

通過PSD開窗，60Co γ能譜的能量分辨率得到了優(yōu)化，特別在積分長度為80 ns時，能量分辨率由原來的53.38%優(yōu)化為42.21%，改善尤為明顯。這說明PSD開窗的方法對能譜有顯著的優(yōu)化效果，但缺點是如果PSD開窗的范圍不合適也會把很多真事件隨假事件一起剔除掉，丟失了信號的完整性，可能使得到的能譜不能反映出該有的真實特征。

4 結語

本文考慮到了光子在塑料閃爍體中的傳輸過程并非理想情況，通過改變關聯(lián)事件的符合時間窗來計算探測器的真事件探測效率，當符合時間較低時，真事件探測器效率急劇減小，此時在剔除假事件干擾時也把大量真事件扣除了，而當符合時間較高時，數(shù)據(jù)中會混入大量假事件，影響測試結果真實性，同時由于SiPM輸出電路的時間性能較慢，導致符合時間高于理想值，以此確定了15 ns為最佳符合時間窗，使關聯(lián)事件的準確性得到了提高。利用能量分辨率的指標分析比較了波形的積分長度和PSD開窗法對能譜的優(yōu)化效果，當積分長度為80 ns時，能量分辨率達到最優(yōu)值。當然能量分辨率只是塑料閃爍體中子探測器的重要指標之一，且影響性能指標的因素有很多，可能有電子學系統(tǒng)穩(wěn)定性、塑料閃爍體材料性能等原因，本文是從數(shù)據(jù)處理技術的角度對能量分辨率進行優(yōu)化并取得了明顯的效果。

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The coincidence test of the double-end output plastic scintillation detector

PI Bensong1WEI Zhiyong1WANG Zhen1TAN Xiaoming2ZHU Qingwei1YU Junhao1
1(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)
2(Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730000, China)

Background:The detector probe is composed of double-end output plastic scintillation detector and silicon photomultiplier (SiPM), and it’s part of the detector system with back end electronics system such as digitizer. Purpose: To study the optimization of the detection efficiency of real events and energy resolution with different data processing methods, the standard γ source60Co and137Cs are used to test the plastic scintillation detector system. Methods: The effect of the coincidence time of the associated event on detection efficiency is discussed, and the improvement of energy resolution from the integral length and the pulse shape discrimination (PSD) window is analyzed. Results and Conclusion: The results show that the real event detection efficiency is the best when the coincidence time of the related event is 15 ns, and the energy resolution is optimized from 53.38% to 42.21% under the PSD window when the integral length is 80 ns.

Plastic scintillation, Coincidence time window, Detection efficiency of real event, PSD window, Energy resolution

塑料閃爍體具有快響應、高探測效率和發(fā)光產(chǎn)額以及穩(wěn)定的機械性能等特點，在高強度脈沖的輻射測量中有著非常重要的應用[1]。

本文使用北京高能科迪科技有限公司生產(chǎn)的HND-S2型塑料閃爍體。HND-S2型塑料閃爍體由聚苯乙烯（(C8H8)n）作基質(zhì)，加對聯(lián)三苯作閃爍物質(zhì)和移波劑制成。它的發(fā)射光譜的主峰位在423nm，相當于蒽晶體光輸出的50%-60%。利用搭建好的塑料閃爍體探測器進行測試，使用符合測量技術對關聯(lián)事件的符合時間窗與真事件探測效率的關系進行研究。在數(shù)據(jù)處理方法上通過積分長度的改變和脈沖信號甄別(Pulse Shape Discrimination, PSD)開窗法使能譜的能量分辨率得到優(yōu)化。

PI Bensong, male, born in 1991, graduated from Yangtze University in 2014, master student, focusing on nuclear radiation detection

WEI Zhiyong, E-mail: wzy_msc@nuaa.edu.cn

TL812+.1

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.010403

基于GEM的快中子位置靈敏探測器及其數(shù)據(jù)獲取相關技術的研究(No.11575073)資助

皮本松，男，1991年出生，2014年畢業(yè)于長江大學，現(xiàn)為碩士研究生，研究領域為核輻射探測

魏志勇，E-mail: wzy_msc@nuaa.edu.cn

2016-09-05，

2016-12-12

Supported by Research of Fast Neutron Position Sensitive Detector and Data Acquisition Technology Based on GEM (No.11575073)

Received date: 2016-09-05, accepted date: 2016-12-12