新型望远镜带电粒子探测系统结构设计与理论模拟

李 勇，金仕纶，王建松，杨彦云，黄美容，马 朋，马军兵，赵明辉，白 真，周远杰，马维虎，王 琦

（1.中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院大学，北京 100049）

新型望远镜带电粒子探测系统结构设计与理论模拟

李 勇1，2，金仕纶1，2，王建松1，杨彦云1，黄美容1，马 朋1，马军兵1，赵明辉1，2，白 真1，周远杰1，2，马维虎1，2，王 琦1

（1.中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院大学，北京 100049）

为了在兰州重离子加速器国家实验室（HIRFL）的放射性束流线（RIBLL1）上开展基于完全运动学测量的远离β稳定线奇异核反应机制的研究，需研制一套由多个独立的望远镜系统（探测模块）组成的带电粒子探测阵列。每个探测模块包含1块16×16的厚65μm的双面硅条探测器、1块4×4的厚1 000μm的像素硅探测器和由雪崩光二极管（APD）读出的4×4CsI（Tl）阵列探测器。该探测阵列可实现大的能量测量范围、高能量分辨率和位置分辨，同时具备大立体角覆盖和粒子关联测量的能力。通过Geant4探测器模拟软件对单个探测模块进行模拟，结合对探测模块各部分的实验测试，给出了探测模块的设计方案和整体性能指标。

带电粒子；ΔE-E望远镜；Si探测器；CsI（Tl）；Geant4

随着放射性束流装置的发展，越来越多远离β稳定线非稳定核束被用来研究原子核的奇特结构和反应机制，放射性束核物理已成为核物理中一项十分活跃的分支。晕核的发现，诱发人们重新认识已有的核结构和核模型理论［1］。文献［2-3］利用兰州重离子加速器国家实验室（HIRFL）放射性束流线（RIBLL1）对7Be、8B等丰质子核引起的弹性散射进行了测量，并研究了原子核内部结构对反应机制的影响等。为了在RIBLL1终端上开展对远离β稳定线奇异核反应机制的研究，需对反应产物进行完全运动学测量，以获取更全面的信息，有助于系统、深入地理解9C、8B等丰质子核的晕结构、质子关联及对其核反应机制的影响。同时，由于RIBLL1为弹核碎裂型（PF型）放射性束流线，其放射性束束斑较大、流强较小，为了得到高质量实验数据，本工作研制了一套具有多层望远镜结构的带电粒子探测模块，此探测模块具有独立的探测功能、大的能量测量范围、高的能量分辨和位置分辨能力及粒子关联测量等性能，同时也可利用多个模块组成探测阵列，实现大立体角覆盖。国际上类似的探测器有MUST［4］、LASSA［5］、HiRA［6］等。本文通过对探测模块各部分的实验测试及通过Geant4程序的模拟，优化探测器的制作方案。通过Geant4程序模拟探测模块对9C＋208Pb的中心碰撞和擦边碰撞产物的响应，给出探测模块的整体性能。

1 探测器结构

如图1所示，探测模块由3层望远镜系统组成：a为双面硅条探测器，厚为65μm、总面积为48mm×48mm、16×16块、条宽约3mm； b为像素硅探测器，厚为1 000μm、总面积为48mm×48mm、4×4块、灵敏单元面积为11.5mm×11.5mm；d为CsI（Tl）探测器，厚为5cm、每块面积为11.5mm×11.5mm、4×4块；e为与CsI（Tl）通过硅胶耦合的雪崩光二极管（APD），灵敏面积为11.5mm×11.5mm、4×4块；c为覆盖于CsI（Tl）晶体前端入射面的厚为7μm的Al膜，以增加CsI（Tl）晶体中闪烁光的收集率。

图1 探测模块示意图Fig.1 Scheme of detector module

针对碎裂核反应产物较广的能量动态范围，本文研制的探测器采用多层探测介质来阻止和鉴别所产生的粒子。当粒子穿过双面硅条探测器且被阻止于像素硅探测器上时（对于质子，E＝2.4～12.8MeV／u；对于16O，E＝4.8～27.4MeV／u），可用双面硅条探测器作为ΔE探测器、像素硅探测器作为E探测器来鉴别粒子。当粒子能量较高足以穿过双面硅条探测器和像素硅探测器而阻止于CsI（Tl）探测器上时（对于质子，E＝12.8～115MeV／u，对于16O，E＝27.4～305MeV／u），可用双面硅条探测器和像素硅探测器作为ΔE探测器、CsI（Tl）探测器作为E探测器来鉴别粒子。

对于碎裂反应产物具有多重性的特点，探测器采用像素硅探测器及与像素硅探测器灵敏单元一一对应的CsI（Tl）探测阵列来实现对多重粒子的同时探测。条宽为3mm的双面硅条探测器作为ΔE探测器的同时也作为位置测量探测器，提供入射粒子的二维位置信息，保证探测器具有足够好的角度分辨能力。另外，此探测模块具有独立的探测功能，可同时利用多个独立的探测模块组成探测阵列，实现在实验中探测器的灵活布置和广立体角覆盖。

图2为探测模块支架的设计图，左侧为支架侧视图，右侧为上视图。图中，A为探测模块的粒子入射窗口；B、C分别为双面硅条探测器和像素硅探测器；G为固定硅探测器底座支架的槽口，可在槽口范围内改变硅探测器的放置位置；F为分布于两侧可拆卸的条形挡板，可根据硅探测器放置位置，拆卸相应的挡板，输出硅探测器的排线，同时可允许放入α标准源对探测器进行刻度；D为放置CsI（Tl）阵列的框架；E为CsI（Tl）探测器框架末端的开孔，可通过冷却管，利用冷却乙醇对APD进行冷却，保证探测器的稳定性能［7］。

图2 探测模块的支架设计Fig.2 Technical drawing of detector module

2 探测器测试

2.1 双面硅条探测器和像素硅探测器测试

双面硅条探测器由Micron Semiconductor Limited Company生产，型号为W1（DS）。利用241Am源产生的5.48MeVα粒子在真空（2×10－3Pa）环境中对探测器进行测试，探测器连接前置放大器Mesytec MRR-16，并共同置于真空靶室中。输出信号至靶室外的主放大器Mesytec MSCF-16，其连至VME电子学获取系统，进行数据获取。

像素硅探测器由Micron Semiconductor Limited Company生产，型号为MSPX 042。像素硅探测器的测试环境和双面硅条探测器的测试环境相同。

图3分别为双面硅条探测器和像素硅探测器其中一灵敏单元的α能谱。双面硅条探测器和像素硅探测器对5.48MeV的α粒子能量分辨率分别为1.2%和1.8%，双面硅条探测器和像素硅探测器的能量分辨率均匀性较好，双面硅条探测器各条的能量分辨率波动在±0.2%，像素硅探测器各像素的能量分辨率均在2%以内。

2.2 CsI（Tl）探测器测试

CsI（Tl）为中国科学院近代物理研究所生产的Tl激活的CsI闪烁晶体，Tl的掺杂浓度为0.1%［8］，APD为Hamamtsu公司生产，型号为S8664-1010。CsI（Tl）探测器的测试系统如图4所示，APD由硅脂耦合于CsI（Tl）晶体后端，置于真空靶室内。APD连至靶室外的前置放大器ORTEC-142A，前置放大器由ORTEC710提供高压。前置放大器信号经主放大器CAEN-N568放大后输出至VME获取系统，进行数据获取。

图3 双面硅条探测器（a）和像素硅探测器（b）的α能谱Fig.3 αspectrum of double-side silicon strip-detector（a）and pixel-silicon detector（b）

图4 CsI（Tl）探测器的测试系统Fig.4 Testing system of CsI（Tl）detector

1）CsI（Tl）探测器的不同包裹材料对能量分辨率的影响

当粒子入射到CsI（Tl）晶体与之发生相互作用时，能量沉积于CsI（Tl）晶体而使晶体内部原子、分子电离和激发，受激原子、分子退激发时，产生闪烁光，CsI（Tl）晶体表面包裹反射层可减少闪烁光的损失，有利于提高APD对闪烁光的接受效率。

在相同的测试条件（APD偏压为450V）下，测试CsI（Tl）晶体包裹不同反光材料（7μm厚Al膜、Teflon膜、Tyvek纸）时，CsI（Tl）探测器对5.48MeVα源的能量分辨率分别为8.13%、8.33%、7.25%。因此，采用Tyvek纸包裹材料效果较好。

2）CsI（Tl）探测器能量分辨率与APD偏压的关系

图5 长方体CsI（Tl）探测器对α源的能量分辨率随APD偏压的变化Fig.5 Energy resolution of rectangle CsI（Tl）detector vs bias voltage of APD

图5示出包裹Tyvek纸的长方体CsI（Tl）探测器（截面11.5mm×11.5mm，长50mm）在不同APD偏压下的能量分辨率。可看出，APD所加偏压对CsI（Tl）探测器的能量分辨率影响较大，偏压为360V时，CsI（Tl）能量分辨率最好（约5.4%），因此，通过图5所示的测量可得出APD的最佳偏压。

3）CsI（Tl）晶体的形状对CsI（Tl）探测器能量分辨率的影响

为优化CsI（Tl）探测器的结构设计，CsI（Tl）探测器中的CsI（Tl）晶体选择长方体和棱台型两种备选形状，长方体截面11.5mm× 11.5mm，长50mm；棱台型前截面11.5mm× 11.5mm，后截面14mm×14mm，长50mm。为使CsI（Tl）晶体颗粒与像素硅颗粒更好地相匹配，即CsI（Tl）晶体入射截面与像素硅灵敏单元的面积相等，晶体的入射截面设置为11.5mm× 11.5mm，以利于实验结果的处理和粒子多重性的测量。目前实验室可用的APD的灵敏面积仅有11.5mm×11.5mm，即只能完全覆盖长方体CsI（Tl）晶体出射截面，而不能完全覆盖棱台型晶体的出射截面。

测试结果表明，在相同的包裹材料（Tyvek纸）下，长方体和棱台型CsI（Tl）探测器对5.48MeVα源的能量分辨率分别为5.4%、7.9%。长方体CsI（Tl）探测器的能量分辨率较棱台型的能量分辨率好，原因是APD的灵敏面积不能完全覆盖棱台型CsI（Tl）晶体的出射截面，导致对其闪烁光的接受效率降低，从而影响CsI（Tl）探测器的能量分辨能力。

3 探测器的Geant4模拟

3.1 CsI（Tl）探测器的模拟

探测器的模拟采用Geant4程序。Geant4程序是由欧洲核子研究中心（CERN）主导开发的用于粒子物理和核物理的蒙特卡罗模拟程序包［910］，可有效模拟粒子与探测器介质之间的相互作用，包含全面的物理相互作用过程，并易于跟踪感兴趣粒子，获得粒子位置、能量、能损和动量等信息［11］。

模拟中，CsI（Tl）探测器中Tl浓度为0.1%，对光吸收长度为1m，CsI（Tl）探测器的荧光光谱中心波长为550nm，光产额为3 000MeV－1，荧光快慢成分之比为1∶0，衰减时间为10ns。CsI（Tl）探测器表面特性为抛光，不同包裹材料的光学性质为：Al膜，glisur-dielectric＿metal；Teflon膜，LUT-polishedteflon＿air；Tyvek纸，LUT-polishedtyvek＿air［12－13］。粒子源为5.48MeV α面源或质子面源，面积为10mm2，运行事例为10 000个。

1）单块CsI（Tl）探测器的模拟结果

表1列出了长方体CsI（Tl）探测器包裹不同材料时，对5.48MeVα源的模拟结果。由表1可知，当CsI（Tl）探测器包裹Tyvek纸时，能量分辨率较高。

表1 CsI（Tl）探测器的包裹材料对能量分辨率的影响Table 1 Effect of wrapping material on energy resolution of CsI（Tl）detector

表2列出了不同形状的CsI（Tl）探测器对5.48MeVα源的模拟结果。由表2可知，当使用有效面积为11.5mm×11.5mm的APD时，长方体CsI（Tl）探测器的能量分辨率高于棱台型CsI（Tl）探测器的，棱台型CsI（Tl）探测器使用有效面积为14mm×14mm的APD时的能量分辨率较使用11.5mm×11.5mm时的高，这是因为，由于棱台型CsI（Tl）探测器中的CsI（Tl）晶体出射截面为14mm×14mm，使用具有较大有效面积的APD时可将CsI（Tl）

表2 不同形状的CsI（Tl）探测器对能量分辨率的影响Table 2 Effect of different shape CsI（Tl）detectorson energy resolution

当多块CsI（Tl）探测器组成CsI（Tl）探测阵列时，实验中会产生串扰，即入射粒子同时在多块CsI（Tl）探测器中产生信号，影响探测器的探测效果，为此需考虑CsI（Tl）探测阵列的整体性能。

CsI（Tl）探测阵列由16块CsI（Tl）探测器组成。CsI（Tl）探测阵列分为3种布局模式（图6）。模式1：16块长方体CsI（Tl）探测器（11.5mm×11.5mm）按4×4规则排列，整体外部轮廓为长方体；模式2：16块棱台型CsI（Tl）探测器（11.5mm×11.5mm，14mm× 14mm）按4×4层排列，整体外部轮廓为棱台型；模式3：16块长方体CsI（Tl）探测器（11.5mm× 11.5mm）布局方式与模式2的相同，整体外部轮廓为近棱台型。

图6 CsI（Tl）探测阵列的3种布局模式Fig.6 Three layout patterns of CsI（Tl）detector array

入射5.48MeVα粒子和不同能量质子时，不同模式下CsI（Tl）探测阵列的串扰情况列于表3，串扰率为同一入射粒子同时在多个CsI（Tl）探测器上产生信号的事件数占总事件数的比率。模拟中的粒子源距探测器17cm，向立体角内均匀发射粒子的点源。由表3可看出，模式3的串扰情况介于模式1和模式2之间。

表3 3种模式下CsI（Tl）探测阵列的串扰情况Table 3 Crosstalk of CsI（Tl）detector array under three modes

3种不同模式的CsI（Tl）探测阵列对具有一定入射深度的30MeV质子的模拟情况列于表4，模拟结果为16块CsI（Tl）探测器的平均能量分辨率。

表4 3种模式对30MeV质子的能量分辨率Table 4 Energy resolution of three modes of 30MeV proton

由表3、4可知，模式3的CsI（Tl）探测阵列的事件串扰情况和能量分辨率均较模式1的好。模式3的CsI（Tl）探测阵列的串扰率虽高于模式2，但由于模式3中采用的长方体CsI（Tl）探测器能量分辨率好于模式2中的棱台型CsI（Tl）探测器的能量分辨率，导致模式3整体的能量分辨率高于模式2的能量分辨率，因此，CsI（Tl）探测阵列采取模式3。

3.2 整体模块的模拟

探测器的整体模块由65μm厚双面硅条探测器＋1 000μm厚像素硅探测器＋CsI（Tl）探测阵列（模式3）构成。模拟此探测模块对由IMQMD计算出的9C＋208Pb中心碰撞产物和碰撞参数b＝0～12fm的擦边碰撞产物的响应（9C的能量为50AMeV），模拟结果如图7所示。可看出，探测器对Z较小的带电粒子可较好地分辨。

图8为探测到的9C＋208Pb擦边碰撞（碰撞参数b＝0～12fm）同时产生的两个入射粒子的夹角分布，其中探测器距源17.1cm。可看出，探测器可较好地分辨出夹角为2°的多重粒子。

图7 探测器对由IMQMD计算的9C＋208Pb中心碰撞（a）和擦边碰撞（b）产物的模拟结果Fig.7 Simulation results of production produced by central collision（a）and grazing collision（b）of9C＋208Pb

图89C＋208Pb擦边碰撞产物多重粒子夹角分布Fig.8 Distribution of angle between multi particles produced by grazing collision of9C＋208Pb

4 结论

为了在HIRFL的RIBLL1终端上实现对远离β稳定线奇异核核反应的完全运动学测量，从而更深入地研究奇异核性质及核反应机制，本文给出了探测模块的设计方案。通过对探测模块各部分的实验测试，获得各部分的实验性能和最佳的工作条件。对单块CsI（Tl）探测器的Geant4模拟结果和实验测试结果相符，验证了模拟的可靠性。通过对CsI（Tl）探测阵列及整个探测模块的模拟，确定出CsI（Tl）探测阵列的设计方案，且证明了探测模块具有较好的粒子探测能力。

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Constructional Design and Theoretical Simulation
of Novel Telescope System for Charged Particle Detection

LI Yong1，2，JIN Shi-lun1，2，WANG Jian-song1，YANG Yan-yun1，HUANG Mei-rong1，MA Peng1，MA Jun-bing1，ZHAO Ming-hui1，2，BAI Zhen1，ZHOU Yuan-jie1，2，MA Wei-hu1，2，WANG Qi1
（1.Institute of Modern Physics，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou730000，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China）

In order to study the reaction mechanism of exotic nuclei far fromβstability line based on complete kinematic measurement on the Radioactive Ion Beam Line in Lanzhou（RIBLL1）at the Heavy-Ion Research Facility in Lanzhou（HIRFL），a charged particle detector array，which is composed of multiple identical telescope systems，is needed to be developed.Each telescope，a full function detector module，consists of a double-side silicon strip-detector（16×16）with thickness of 65μm，apixel-silicondetector with 16（4×4）pixels with thickness of 1 000μm，and an array of 4×4CsI（Tl）crystals with length of 5cm which are read out by avalanche photo diodes（APD）.The detector array has performance characteristics of high energy resolution over a wide dynamic range in energy，reasonable position resolution and large solid-angle coverage.It also can detect multiple particles simultaneously.In this work，a detailed simulation of the detector module was performed based on Geant4.With the simulation and the experimental tests of each part of the detector module，the design construction and a whole predicting performance of the detector module were given.

charged particle；ΔE-E telescope；silicon detector；CsI（Tl）；Geant4

O571

：A

：1000-6931（2015）05-0944-07

10.7538／yzk.2015.49.05.0944

2014-01-08；

2014-04-02

973计划资助项目（2014CB845405，2013CB834401）；国家自然科学基金资助项目（11075190，11005127，11205209，11205221）

李 勇（1989—），男，河南南阳人，硕士研究生，粒子物理与原子核物理专业