（理论物理专业论文）双维位置灵敏csi（tl）闪烁探测的性能研究.pdf

西南大学硕士学位论文摘要 双维位置灵敏c s i ( t 1 ) 闪烁探测器的性能 研究 理论物理专业硕士研究生胡强 指导教师李加兴教授 摘要 位置灵敏探测器在核物理实验、粒子物理学、天文物理学、地质探测、核医学等领域扮 演了极其重要的角色。在放射性束物理中，为了获得高质量的放射性束流，需要对其进行诊 断。如此一来，就要求所用的探测器具有好的位置分辨率，以便能够更精确地测量束斑的尺 寸、位置和密度分布。因此，有必要对探测器的性能进行研究，并找出研制具有优越性能的 探测器的合理方案。本文的主要内容就是对一个敢维位置灵敏c s i ( t 1 ) 闪烁探测器的性能进行 研究。 该双维位置灵敏c s i ( t 1 ) 闪烁探测器由一块c s i ( t 1 ) 晶体与一位置灵敏光电倍增管的光阴极 直接耦合而成。c s i ( t 1 ) 晶体的灵敏面积为6 0 m m 6 0 m m ，厚度为1 0 m n l ，前后表面被仔细抛光， 前表面和侧面均用6 “厚的铝箔包裹作为反射层。位置灵敏光电倍增管的光阴极有效面积为 6 0 m m 5 5 m m ，阳极由1 8 c 确1 6 ( y ) 根丝矩阵构成。在兰州用放射性束流1 7 n ( 3 2 m e 、仇) 对其性 能进行了测试，测得探测器在k 】，方向的位置分辨率均为o 8 1 m m ( f w h m ) 。 在本工作中，我们利用g e a n t 4 这一m o n t ec a r l o 模拟工具包，对该探测器的性能作了比 较深入的模拟研究。研究结果表明，探测器的性能随铝箔的反射率增大而得到改善。当铝反 射层的反射率分别取o 8 、o 6 1 8 、o 5 、0 4 时，得到探测器的位置分辨率分别为o 7 1 6 舢 i l 、 o 7 5 8 m m 、o 7 6 4 i n m 、o 7 7 6 m m ；取反射层的反射率为o 4 ，在闪烁体与光电倍增管之间接入有 机玻璃光导，当其长度分别为2 o r n m 、4 0 m m 、 分辨率分别为o 8 1 8 姗m 、o 8 4 5 姗 1 l 、1 0 4 6 m m 、 较好。 8 0 m m 、1 2 o m m 时，模拟得到探测器的位置 1 3 3 5 n 蛐。模拟结果与实验测试的结果符合得 通过进一步分析，我们给出了影响探测器性能的主要因素，并为探测器的研制提出了相 事基金项目：国家自然科学基金资助项目( 1 0 2 0 5 0 1 9 ，1 0 4 7 5 0 9 8 ) i i i 西南大学硕士学位论文 摘要 应的改进方案。 关键词：g e a n t 4m 仰t ec a r l o反射率位置分辨率 闪烁探测器 i v 西南大学硕士学位论文 a b s 们c t p e r f o r m a n c e i n v e s t i g a t i o no n at w o d i m e n s i o n a lp o s i t i o ns e n s i t i v ec s i ( t 1 ) s c i n t i u a t i o nd e t e c t o r 古 m 句o r ：t h e o r e t i c a lp h y s i c s d i r e c t i o n ：n u c l e a rp h y s i c s a u m o r ：q i a n gh - u s u p e i s o r ：p r o fj i a x i n g “ a b s t r a c t p o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o r sp l a ya ni r n p o r t a n tr o l ei nm a n yf i e l d s ，s u c h 嬲e x p 硎m e n t a l 硼c l e a r p h y s i c s ，p a r t i c l ep h y s i c s ，a s t r o p h y s i c s ，g e o l o g i c a le x p l o r a t i o n ，n u c l e a rm e d i c i n ea n ds oo n h l r a d i o a c t i v ei o nb e 锄( r i b ) p h y s i c s ，b e 锄s h o u l db ed i a g n o s e dt o g e th i g hq u a l i t yr i b t o m e a s u r et 1 1 es i z e ，p o s i t i o na n dd e n s i t ) ，d i s t r i b u t i o no ft l l eb e 啪m o r ea c c u r a t e l y ，d e t e c t o r sw i mg o o d p o s i t i o nr e s o l u t i o na r en e e d e d t h e r e f o r e ，i t sn e c e s s a r yt oi i l v e s t i g a t ep e r f l o n n a i l c e s o fm e s e d e t e c t o r sa n df - m do u ts o m er e a s o n a b l ea p p r o a c h e st oi m p r o v et h e m t h ep u 印o s eo ft h i sw o r kw a s t oi n v e s t i g a t et h ep e r f o 姗a i l c eo fat 、) l ，od i m e n s i o n a lp o s i t i o ns e n s i t i v ec s i ( t 1 ) s c i n t i l l a t i o nd e t e c t o r r e a d o u tw i mp o s i t i o ns e n s i t i v ep h o t o m u l t i p l i e rt u b e ( p s p m t ) i tc o n s i s t so fac s i ( t 1 ) c r y s t a lw h o s es e n s i t i v ea r e ai s6 0 i n 】m 6 0 伽：t la n dm i c l ( i l e s si s1 0 删吗 a i l dap s p m tw i t ha i le f f e c t i v ea r e ao f6 0 m m 5 5 n u n t h ef r o n ta n de n ds u r f a c e so fc s i ( t 1 ) c 巧s t a l a r ep o l i s h e d ，a n da l lt h es u r f a c e se x c 印tf o rt h ee n dc o u p l e dt om ep h o t o c a m o d ed i r e c t l ya r e w r a p p e dw i t h6 u ma l u i i l i n u mf o i la sr e n e c t i v ec o a t i n g t h ep s p m th a sc r o s s e dw 如a i l o d e s ，l8a n d 1 6w i r e sf o rxa n dyd 讹c t i o 璐r e s p e c t i v e l y n st e s t e dw i t hr i b n ( 3 2 m e v u ) i nl a n z h o u ，a n d o b t a i n e dag o o dp o s i t i o nr e s o l u t i o no f0 81m m ( f w h m ) i nb o t h a j l dyd i r e c t i o n s n l et 、od i m e l l s i o n a lp o s i t i o ns e l l s i t i v ec s i ( t 1 ) s c i n t i l l a t i o nd e t e c t o rw a ss i m u l a t e db yu s i n g l e m o n t ec a r l oc o d eg e a n t 4i nt h i sp a p e r t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt 1 1 a tt 1 1 ed e t e c t o r sp e r f o 舯a n c e w o u l db eb e t t e rw i mm ei n c r e 舔i l l go fa l u n l i n u mf o i l sr e n e c t i o nf l a c t o r t h ep o s i t i o nr e s o l u t i o l l s f o u n d a t i o ni t e m ：n a t i 伽a ln a t u r a ls c i 饥c cf o u n d a t i o no f c h i n 1 0 2 0 5 0 1 9 ，1 0 4 7 5 0 9 8 ) v 西南大学硕士学位论文abstract o b t a m c dw e r c0 7 1 6 m r 玛0 7 5 8 m m ，0 7 6 4 m ma i l do 7 7 6 m mw h i l et 】h er e n e c t i o n 白c t o re q u a l e dt 0 0 8 ，o 6 1 8 ，o 5a n do 4 ma d d i t i o n ，w em e s t i g a t e dm ea 髓c t i o no fo 玛a 1 1 i c1 i 曲tg u i d ew i l i l em e r e n e c t i o nf a c t o ro fa l u l i n u mf o i lw 2 l so 4 s i m u l a t e dr e s u l t sw e r e0 8l8 m m ，o 8 4 5 m m ，1 0 4 6 m m a n d1 3 3 5 m mw 1 1 i l et h el e n g t ho ft h el i g h tg u i d ee q u a l e dt o2 o n 吼，4 o m m ，8 0 m ma n d12 0 n l m o b v i o u s l y ，s i m u l a t e dr e s u l t sw e r ei ng o o da g 卵e m e n tw i t hm ee x p e r i m e n t a lo n e s f i n a l l y ，t h em a i nf a c t o r s ，w h i c hc a na 妊e c tp e r f o 册a n c eo fn l ed e t e c t o r ，a 芏1 ds o m ep l a n n e d d e t e c t o ri m p r o v c n l e n t sw e f ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：g e a n t 4 ； m o n t ec a r l o ；r e n e c t i o nf a c t o r ； p o s i t i o r e s o l u t i o n ； s c i n t i l l a t i o nd e t e c t o r 独创性声明 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加了 标注。 学位论文作者：咧强 签字日期：2 0 0 8 年4 月1 9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生部可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：囱不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：铡瑟、导师签名：夕h 彳 签字日期：2 0 0 8 年4 月1 9 日签字日期：2 0 0 8 年4 月1 9 日 西南大学硕士学位论文第一章引言 第一章引言 1 1 粒子探测器的发展 人类对两个极限尺度的物质世界“小宇宙”和“大宇宙”不断认识的历史是人 类文明发展史的重要组成部分。面粒子探测器的发展史，止是人类对物质世界的认识不断深 化及实验与理论相互促进的历史。1 5 9 0 年和1 6 0 9 年先后出现的显微镜和望远镜，是人类首先 使用的可见光探测器。1 8 9 5 年伦琴在无可见光条件下发现胶片感光而发现x 射线和1 8 9 6 年贝 克勒尔由钾铀硫酸盐使感光片变黑的现象发现了射线，可谓是粒子探测器历史的开端。1 9 1 9 年，卢瑟福利用荧光屏探测器第一次观察到了用a 粒子轰击氮产生氧和质子的人工核反应， 由此核物理得到了迅速发展，进而导致了各种探测器的发展。2 0 世纪2 0 年代到6 0 年代，先 后出现了核乳胶1 卅、云雾室【5 - 7 】、火花室【8 1 、流光室9 ，1 0 1 等径迹探测器以及电离室【1 1 ”】、正比 计数管、盖格一米勒计数器1 1 4 】、闪烁探测计数器16 】等电子学探测器。它们的出现，导致了正 电子、介子、万介子、o 超子、一超子和中微子等的发现。2 0 世纪6 0 年代末至8 0 年代初，与多路电子学配合使用的多丝正比室f ”。引、漂移室f 1 9 l 、多种电磁和强子量能器f 2 0 2 1 l 等迅速发展起来，导致了，粒子、f 粒子、形2 和z o 中间玻色子等的发现，使物理学向前 跨进了一大步。近2 0 多年来，又出现了闪烁光纤【2 2 _ 2 4 1 、自猝灭流光管、阻性板探测器【2 6 2 7 1 、 时间投影室陋3 、平行板雪崩型3 2 圳】、硅微条探测别3 5 。37 1 、微条气体室【3 8 ，3 9 1 等新兴探测器，以 适应更高能量、更复杂的事例测量。 当前。由于加速器物理实验的高能量研究、高亮度研究和非加速器物理实验研究的发展， 对粒子探测技术提出了极具挑战性的要求。比如l h c ( p p 对撞机) 的探测器就需要具备快的 时间响应、好的位置分辨率、多径迹分辨率、粒子识别能力、抗辐射等特点。美国的p e p i i 和日本的k e k b 正负电子对撞机中使用的探测器，则要求其具备高计数率、高分辨率、高抗 辐射强度等特点。在非加速器物理实验中，常要求探测器具备高灵敏度、低本底与低噪声等 特点，以探测低事例率的物理现象等等。 为揭示极限宇宙的奥秘，许多国家在探测技术领域已经作出了巨大的贡献，并取得了举 世瞩目的成就。2 0 世纪中期以来，我国在粒子物理与粒子探测技术领域也取得了很大进展。 2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代初，成功研制了小型多丝正比室、漂移室、闽式切伦科夫计数器、 闪烁计数器描迹仪、流光室等9 ，1 0 t 1 4 ，1 9 1 一系列粒子探测器。最具代表性的成就是1 9 8 8 年建成 的北京正负电子对撞机上的北京谱仪b e s 【4 0 1 。此外，还参加了多项国际合作实验，如参与德 国d e s y 的m a r k j ，c e r n 的正负电子对撞机l e p 上的l 3 和a l e p h ，c e i 矾的l h c 上的 c m s 和a = r i a s 等，并在探测器方面做出了相应的贡献。 西南大学硕士学位论文第一章引 言 总之，在人类社会发展的过程中，探测器技术与探测器也在发展，但还不完善。为适应 不同的目标和要求，更优越性能的探测器仍需不断地进行研究。 1 2 粒子探测器的分类 由于工作的需要，人们常常需要根据实际情况使用相应的探测器。在科学研究中，粒子 探测器通常可以分为气体探测器、半导体探测器和闪烁探测器等。有时又根据探测介质的状 态分为气体探测器、液体探测器和固体探测器等。下面对这儿类探测器进行简要介绍。 1 2 1 气体探测器 气体探测器以气体作为探测介质来探测核辐射。入射粒子在气体介质中损失能量并使之 产生电子离子对，电子和正离子在探测器的电场中漂移并在输出电路产生电信号。根据工作 条件的不同，气体探测器又可分为电离室、正比计数器、盖革一米勒( g m ) 计数器等。这类探 测器的优点是结构简单、性能稳定可靠、成本低廉、使用方便等。缺点是分辨时间长、记录 射线的效率低。这类探测器在高能物理实验、重离子物理实验、对撞机实验及天文物理、固 体物理、生物学和医疗学等领域被广泛应用。 1 2 2 半导体探测器 半导体探测器是以半导体材料作为探测介质的i 司体探测器。它利用射线在半导体介质中 产生电子空穴对来探测核辐射。 半导体探测器是一种工作在反向偏压下的p n 结二极管，实质上是一个介质为半导体材料 的固体电离室。p n 结点内建电场由n - p ，结区的自由电子和空穴被电场收集，因此结区没有 载流子，形成耗尽层。当半导体探测器工作在反向偏压时，外电场与内建电场一致，使耗尽 层进一步加厚，耗尽层义称灵敏层或结区。当射线进入耗尽层，损耗能量并产生大量的电子 空穴对，在电场的作用下，电子和空穴分别向两极漂移，引起两极上感应电荷的变化，在输 出回路形成脉冲信号。由于耗尽层的厚度很小，因此极间电场足够强，电子和空穴的复合概 率很小，输出的脉冲幅度与射线损耗在耗尽层的能量成正比，所以半导体探测器可用于射线 的强度和能量的测量。根据制造上艺的不同，半导体探测器通常可以分为扩散结型、面垒型、 锂漂移型、离子注入型和外延型等。这类探测器的优点是：能量分辨本领好、线性范围宽、 脉冲上升时间短、阻止本领大、噪声小以及位置分辨率好( 可达微米量级) 。缺点是：抗辐射 本领差、温度效应大、灵敏体积小、信号小等。在带电粒子，x 射线和丫射线能谱的精细测量 中应用较广。 1 2 3 闪烁探测器 闪烁探测器是利用核辐射与某些透明物质相互作用，使其电离和激发而发射荧光的原理 来探测核辐射。主要由闪烁体、光导、光电倍增管和相应的电子学仪器组成。根据组成探测 2 西南大学硕士学位论文第一章引言 器的闪烁体材料的不同，通常有无机闪烁探测器和有机闪烁探测器之分。一般，这类探测器 具有时间响应快、探测效率高等优点。能探测各种类型的带电粒子以及中性粒子( 如中子、， 射线) ，也能测量粒子的数目和能量。如今，闪烁探测器不但在核物理而且在高能物理实验中 得到了广泛的应用。 1 3 位置灵敏探测器的研究现状 随着科学研究的不断深入，位置灵敏探测器在核物理实验、粒子物理学、天文物理学、 地质探测、核医学和无损材料检测等领域的应用不断得到推“。为适应不同的应用领域和物 理目标，已发展了多种测量位置信息的技术和探测器件，如位置灵敏多丝正比室、雪崩室和 漂移室【4 2 水】，位置灵敏半导体探测器及半导体探测器阵列4 5 4 6 1 ，微条结构半导体探测器 4 7 】，光 纤排阵列探测器 4 8 】等。近年来，随着光电倍增管技术的不断进步，已研制出了可测量位置信 息的位置灵敏光电倍增管( p s p m t ) 和多阳极光电倍增管 4 9 】。同时，人们将不同类型的闪烁 体与光探测器件有机地结合在一起，研制出了具有快时间响应、高探测效率、大灵敏面积、 好的能量分辨和位置分辨等优点的闪烁探测器【5 m 5 3 1 ，如光电倍增管阵列闪烁探测器【5 4 ，5 5 1 、闪烁 探测器阵列5 “、c s i ( t i ) + p s p m t 构成的双维位置灵敏闪烁探测器【6 2 6 6 1 等。通常光电倍增管 阵列探测器的位置分辨率可达几个毫米，多丝正比室和雪崩室的位置分辨率可以小于 o 5 n u n 【1 8 ，3 2j ，位置灵敏半导体探测器的位置分辨率好于1 0 m m 【6 5 1 ，光纤矩阵探测器的位置分辨 率约o 2 5 m m 【2 4 1 ，漂移室和微条结构半导体探测器的位置分辨率可达儿十微米【3 6 1 。半导体探测 器阵列和闪烁探测器阵列的能量分辨率很好，但位置分辨率却受到探测器阵列中单个探测单 元尺度的限制，且相应的电子系统较复杂，给工作带来了较大困难。位置灵敏半导体探测器 和微条结构半导体探测器的儿何尺寸较小，不能胜任较人面积位置探测。气体探测器则需价 格昂贵的工作气体和稳压稳流系统，操作也较复杂。兰州放射性离子次级束流线( r j b l l ) 的探 测器系统中就采用了c s i ( t 1 ) + p s p m t ( r 一2 4 8 7 ) 双维位置灵敏闪烁探测器，用于能量和位置的 测量【6 2 1 ，从而进行r j b 的诊断。文献 6 2 中对其性能进行过模拟，得到探测器的位置分辨率为 o 。7 8 删 1 1 ，与实验结果0 8 1 m m 基本吻合，但没对影响探测器性能的因素作进一步的研究。 1 4 本文的研究目的和意义 在r i b l l 上使用的c s i ( t 1 ) + p s p m t 双维位置灵敏闪烁探测器，其位置分辨率可以达到 o 8 l m m 。但为了得到更高质量的放射性束流( r i b ) ，就希望用来测量位置信息的探测器具有更 好的位置分辨率。因此，有必要对所用的探测器进行改进。为找到改进探测器的合理方案， 本t 作基于l i n u x + g e a n t 4 【6 7 6 9 1 这一模拟平台，利用m o n t ec a r l o 硎方法对双维位置灵敏 c s i ( t 1 ) 闪烁探测器的性能进行了比较细致的模拟。模拟过程中，我们通过改变闪烁体周围铝 反射层的反射率和有机玻璃( p m m a ) 光导的长度来对探测器的性能进行研究。将研究结果与 实验结果进行对比分析，找出可能影响探测器性能的主要因素并给出相应的改进方案。因此， 3 西南大学硕士学位论文 第一章引 言 本工作的研究结果将为探测器的改进提供了一定的理论参考，具有较好的应用指导意义。 1 5 本论文的结构 本论文共分五章： 第一章为引言部分，通过对探测器的发展、分类及不同类型探测器的优缺点进行扼要的 介绍，阐述了对探测器进行研究的必要性，对位置灵敏探测器的研究现状进行了调研，提出 了对双维位置灵敏c s i ( t 1 ) 闪烁探测器的性能进行研究的基本构想； 第二章是闪烁探测器的基本知识介绍，对其构造、： 作原理、主要性能等方面进行了比 较详细的阐述； 第三章是m o n t ec a f l o 程序简介，介绍了几种常用的m o n t ec a l l o 程序，着重对本工作采 用的g e a n t 4 进行了详细说明； 第四章是双维位置灵敏c s i ( t 1 ) 闪烁探测器的性能研究与分析部分，给出了探测器在不同 条件下的位置分辨率，分析了模拟结果与实验值之间存在偏差的原因； 第五章是总结与展望，根据研究结果提出了对探测器进行改进的方案，并对下一步的研 究工作进行了简要说明。 4 西南大学硕士学位论文 第二章 闪烁探测器的基本知识 第二章闪烁探测器的基本知识 早在1 9 1 1 年著名的卢瑟福口粒子散射实验，就是借助显微镜直接观察z n s 荧光屏上口粒 子引起的微弱闪光来实现的，这可谓是闪烁探测器的雏形。2 0 世纪中期，随着光电倍增管的 出现和相应电子学仪器的研制成功，闪烁探测器得到了迅速发展，不但在核物理而且在高能 物理实验中得到了广泛的应用。 2 1闪烁探测器的构成 闪烁探测器主要由闪烁体、光导、光电倍增管和电子学线路等组成。一般将闪烁体、光 电倍增管和阴极跟随器装在一个暗盒中，统称为探头。电子仪器的组成单元则根据用途而异， 通常需要高压电源、放大器、脉冲幅度分析器等。闪烁探测器装置如图2 1 所示。 放射源张 12457 8 9 l 闪烁体；2 光导；3 硅油； 4 反射层；5 光电倍增管； 6 一高压电源； 7 前置放人器； 8 线性放人器；9 多道脉冲分析器。 图2 1闪烁探测器装置的方框图 2 1 1 闪烁体 通常，受到射线照射时能够发光的物质称为闪烁体。一般可以分为无机闪烁体、有机闪 烁体和气体闪烁体三大类。闪烁体的主要物理特性体现在以下几个方面： 一、发光效率 发光效率即闪烁体将所吸收射线的能量转变为光的本领。能量为e 的带电粒子或y 射线， 入射并将能量e 沉积到闪烁体内，激发出平均能量为豆的光子数为，则闪烁体的发光效率 为： 刁= ( e ) 召( 1 ) 5 西南大学硕士学位论文 第二章闪烁探测器的基本知识 二、发射光谱 发光强度随波长的分布称为发射光谱。作为粒子探测器应用的闪烁体，所关注的发射光 谱是由带电粒子和y 射线激发的发射光谱，这与某些特定的光波激发而发射的光谱有所区别。 几种常见无机闪烁体的发射光谱如图2 2 所示1 2 u 零 巡 婪1 0 l 越 1 ： m 霹 一 j ，b g 9l， ，、，。ii ll、 l ， 7 ，ll天 。z|月 ，、i ，、 v m f1-j r o h 。 ，- 珊 7 ， i | 、 1 弋 | | i专 n 甜( t 1 ) l 1 i f 、 r、 l a b i a 】。k a ii 光f日极。 7 、 2 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 0 光波波长姗 图2 2 几种常见的无机闪烁体的发射光谱【2 1 1 累 、 褂 较 蚓 掣 紫 三、发光衰减时间 光子数衰减到l p 所需的时间称为发光衰减时间。闪烁体的发光衰减时间符合指数衰减规 律： ( f ) = oe x p ( 一f f ) ( 2 ) 其中砜为所产生的总光子数，f 定义为发光衰减时间常数。 四、光衰减长度 光衰减长度即光子数( 或光强) 衰减到1 e 时的长度，可用下述方程进行描述： ( x ) = oe x p ( 一x 名) ( 3 ) 其中“为所产生的总光子数，兄定义为光衰减长度，一般指各种波长的平均值，x 为距离闪 烁点的距离。 几种常见闪烁体的几个主要性能见表2 1f 2 0 】。 表2 1 不同种类闪烁体的主要性能参数【2 0 】 6 西南大学硕士学位论文第二章闪烁探测器的基本知识 鲁皇昌兽詈詈詈皇量量鲁詈詈詈害詈量量量詈皇皇詈皇詈量詈富詈量喜量毫鲁墨昌皇詈宝害富富暮量昌詈詈喜墨葛詈量暑量蓦 液体 4 2 0 05 0 8 03 4 气体 氙( x e ) 氦( h e ) 3 0 0 0 3 0 0 0 l o 1 0 g p s i o n71 7 ( 定义1 7 n 源) i d l e ，n m b e 枷o nn u i i l b e r( 定义事例数) 另一种方法是在从粒子产生器子程序中给出相应粒子的参数，通过库函数的调用来实现 粒子的定义，如： 1 9 西南大学硕士学位论文第四章双维位置灵敏c s i ( t 1 ) 闪烁探测器 p a n i c l e ( 沁n = n e wg 4 g e n e m l p 耐i c l e s o u r c e ( ) ； g 4 p a i t i c l e t a b l e 牛p a n i c l e t a b l e = g 4 p a n i c l e t a b l e ：g e t p a r t i c i e t a b l e o ； g 洱p a n i c l e d e f i n i t i o n 奉p a r t i c l e ； p a r t i c l e = p a n i c l e t a b l e - g e t i o n ( 7 ，17 ，o ) ； 以上两种方法定义的粒子源是等价的，前者显得更为简洁明了，但后者更方便定义衰变道。 再次是物理过程的定义。重离子进入闪烁体后与物质发生相互作用，使闪烁体激发、电 离而发出荧光光子。由丁所用的离子源的能量比较低( 3 2 m e v u ) ，所以在定义相互作用机制时 不需要定义强相互作用过程，而主要考虑电磁相互作用等。 最后是数据的采集、程序重建及数据分析。因为我们需要得到打到光阴极上的光子坐标， 而在g e a n t 4 中这个信息只有在g 4 s t 印p i n g a c t i o n 类中才能获得，所以我们必须在 ( 弭s t e e p i n g a c t i o n 类中进行粒子的判别，然后将所要的信息输出至文件中，通过重建程序进行 相应的分析得出结论。在g 4 s t e p p i l l g a c t i o n 中对光子是否到达闪烁体与光阴极的界面进行判断 的程序片段如下： i f ( ! b o u n d a r y ) g 4 p r o c e s s m a i l a g e 产p m = t l l e s t e p g e t t r a c k ( ) - g e t d e f i n i t i o n o 一 g e t p r o c e s s m a n a g e r o ； g 4 i mn p r o c e s s e s = p r n - g e t p r o c e s s “s t l e n g m o ； g 4 p r o c e s s v e c t o r 宰p y = p m - g e 巾r o c e s s l i s t o ； g 4 i m i ： f o r ( i _ 0 ；i g e t p r o c e s s n 锄e ( ) 一”o p b o u l l d a d ，”) b o u n d a 叮= ( g 4 0 p b o u l l d 明，p r o c e s s | ) ( 宰p v ) i 】； b r a k ： ) g e a n t 4t 具包不提供m a i n ( ) 函数，因此，用g e a n t 4 进行探测器的m o n t ec d o 模拟 时，除了要处理好以上几个方面以外，用户还必须根据自己的目标而编写主函数。在本程序 中，主函数片段如下： 撑i f d e fg 4 v i s v s e 存i n c l u d e ”g 4 v i s e x e c u t i v e h h ” 存e n d i f i i l tm a i n ( i l l ta r g c ，c h a r 宰牛盯g v ) g 4 r u n m a i l a g e m r l m a m g e r = n e wg 4 r l m a n a g e r ； 撑i f d e fg 4 v i s - u s e g 珥v i s m a n a g e r 唪v i s m a n a g e r = n e wg j 4 v i s e x e c u t i v e ； v i s m a m g e r 一 i i l i t i a l i z c 0 ； j 9 电n d i f m n m a m g e r 一 s e t u s e r i n i t i a l i z a t i o n ( n e wt d e t e c t o 疋o i l s 仇l c t i o n ) ； m n m a n a g e r s e t u s e r h 血i a l i z a t i o n ( n e wt p h y s i c s l i s t ) ； 1 1 j n m a n a g e r - “t i a l i z e o ； r u n m a m g e r - s e t u s e r a c t i o n ( n e w1 1 p r i m 哪r g e n e r a t o r a c t i o n ) ； m r l m a n a g e r s e t u s e r a c t i o n ( i l e wt e v e n t a c t i o n ) ； g 4 u s e r s t e p p i n g a c t i o n 率s t e p p i n g a c t i o n 。n e wt s t e p p i i l g a c t i o n ； 1 1 j n m a n a g e r - s e t u s e r a c t i o n ( s t 印p i n g _ a c t i o n ) ； g 4 u s e r s t a c k i n g a c t i o n 卑s t a c k i n g - a c t i o n = n e wt s 伽c k m g a c t i o n ； m r v i 撇g e r - s e t u s e r a c t i o n ( s t a c k i i l g _ a c t i o n ) ； i f ( a r g c 1 ) g 4 u i m a l l a g e l j iu i m a i l a g e r = g 4 u i r i l a i l a g c r ：g e t u i p o i l l t c r o ； g 4 s t r i n gc o 舢姗d = ”c o n t r o x e c u t e ”； g 4 s t r i n gf i l e n a m e = a 罾7 1 】： u h i 姗a g e r a p p l y c o 衄a i l d ( c o 眦m d + f i l e n 锄e ) ； ) e l s e g 4 u i s e s s i o n s e s s i o n = r 圯wg 4 u i t e r m i i l a l o ； s e s s i o n 一 s e s s i o n s t 耐0 ； d e l e t es e s s i o n ； ) 撑i f d e fg 4 v i s v s e d e l e t ev i s m a n a g e r ； 撑e n d i f d e l e t er u i l n i a r l a g e r ； r e t u m 0 ： 2 l 西南大学硕士学位论文 第四章双维位置灵敏c s i ( t 1 ) 闪烁探测器 ) 从上面的主函数片段可以清楚地看到，里面包含了探测器的几何结构构造，物理过程的定义， 粒子产生器的定义，粒子行为，信息存储与可视化等子程序的调用。因此，在实际模拟的过 程中，就能很方便地显示探测器的几何结构及对粒子的跟踪，同时还能对所需要的信息进行 有效的控制。 4 5 2 模拟的方法 对砌b 1 7 n 在直径为1 0 m m 的准直孔内的入射位置作均匀抽样，在此我们定义源是柱状的， 假设粒子在径迹上产生的光子数目正比于粒子的能损率，即。c 翘出。对 n 离子在其径 迹上产生的每个光子进行跟踪，判断光子能否打在p s p m t 光阴极的有效面积上，如果能，则 记录下光子的x ，l ，坐标，然后通过重心法计算出粒子的入射坐标。在此，我们作了两个假 设：一是假设光阴极的量子效率为1 0 0 ：二是假设探测器的探测效率为1 0 0 。当探测器内 铝箔的反射率取不同值及接入的有机光导的长度不同时，对小孔内粒子进行模拟，利用所收 集到的光子坐标，用重心法计算出每个粒子的入射位置并进行g a u s s 拟合，得出1 7 n 的位置 分布谱和探测器的位置分辨率。为了检验程序对探测器的构造与物理过程的定义是否止确， 首先对1 7 n 的整体分布情况进行了模拟，得到1 7 n 在x 轴投影图的位分布置谱如图4 5 ( a ) 所 示，实验测量得到的1 7 n 的位置分布谱如图4 5 ( b ) 【6 2 1 。比较( a ) 、( b ) 图可知，模拟结果与实验 结果 籁 古 图4 5r j b1 7 n 的位置分布谱 ( a ) 为模拟得到的位置分布谱； ( b ) 为实验得到的位置分布谱【6 2 】 西南大学硕士学位论文 第四章双维位置灵敏c s i ( t 1 ) 闪烁探测器 基本上是符合的，说明程序在编写过程中对探测器结构的构造和物理过程的定义是合理的。 但模拟得到的1 7 n 束流分布谱具有更好的对称性，这可能是因为模拟是在理想条件下迸行的， 不存在外界电磁场等因素的干扰，并且在定义源时将其轴线与栅网准直器的轴线完全重合， 使得从源发射出的粒子与探测器的入射窗口是垂直的。从图中也能够看出，计数最多的位置 不一定总是在孔的正中心，可能会有一定的偏离，这主要体现在重离子入射时，从孔进入闪 烁体发生衍射造成的。当然，入射粒子的整体分布趋势与实验过程所得的结果还是基本上相 符的。 4 5 。3a l 反射层的反射率对探测器位置分辨率的影响 在研制探测器时，闪烁体的前表面和侧面均包了一层6 u m 厚度铝膜，目的是使到达反射 层的荧光光子尽可能多地向光阴极反射，以提高到达光阴极的光子数。为进一步了解a l 反射 层对探测器性能的影响，我们通过改变a j 反射层的反射率对其性能进行了研究。研究结果表 明，当铝反射层的反射率分别取0 8 、o 6 1 8 、o 5 和0 4 时，得到探测器的位置分辨率( f w h m ) 分别为o 7 1 6 m m 、o 7 5 8 j n m 、o 7 6 4 l n m 和o 7 7 6 姗，它们的位置分布谱如图4 6 ( a ) 、( b ) 、( c ) 、 ( d ) 所示。从图中可以看出，当铝箔的反射率变小时，入射粒子的分布谱有展宽的趋势。在铝 箔的反射率达到o 8 时，模拟得到的探测器的位置分辨率可达到o 7 1 6 m m ，比实验测试的结果 好了接近o 1 n l m 。可见，闪烁体周围铝箔的反射率对探测器的性能影响是不可忽略的。 籁 本 - o 8- o 4 o o o 4 m m 4 0 0 0 3 0 0 0 籁 右2 0 0 0 籁 右 1 0 0 0 0 8 o 4o oo 4o 8 x m m m m 西南大学硕士学位论文 第四章双维位置灵敏c s i ( ，n ) 闪烁探测器 籁 舡 剧m m 图4 6 用g e a n ，r 4 模拟铝箔在不同反射率情形下r j b1 7 n 的位置分布谱 ( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 分别表示a l 箔的反射率取o 8 、o 6 1 8 、0 5 和o 4 时砌b1 7 n 的位置分布谱 4 5 4p m m a 光导对探测器位置分辨率的影响 影响探测器性能的因素除了闪烁体周围铝反射层的反射率外，光导的形状、长度等的影 响也是不可忽略的。在c s i ( t 1 ) + p s p m t 双维位置灵敏闪烁探测器中，c s i ( t 1 ) 晶体的后表面是 直接与r - 2 4 8 7 光电倍增管的光阴极耦合的。为了解光导对探测器性能的影响，我们作了进一 步的研究，在闪烁体与光电倍增管之间接入有机玻璃( 亦称p m m a ，其密度为1 1 9 0 0 k g m 3 ， h ：c ：0 = 8 ：5 ：2 ) 光导。接入光导后，增大了光子在界面处传输时的临界角，从理论上讲应该更 有利_ 丁光子从闪烁体经光导传输到光阴极，但由于光子在光导中传输时将损失掉一部分，所 以光导的接入对光阴极收集到的光子个数不会有明显的增加，主要是提高了光阴极收集光子 的均匀性 2 1 1 ，模拟结果与此相符。研究光导长度对探测器性能影响时发现，使光导的面积与 闪烁体的灵敏面积相等，即6 0 m m 5 5 m m ，当光导的长度分别为2 o l l l 】 1 1 、4 o m m 、8 o i 衄、1 2 o 姗 i l 时，模拟得到四种情形下探测器的位置分辨率分别为：o 8 1 8 m m 、0 8 4 5 m m 、1 0 4 6 m m 、1 3 3 5 m m ， 如图4 7 所示。很明显，当接入的光导比较薄时，模拟所得探测器的位置分辨与实验测得的 结果o 8 1 m m 仍然符合得较好，此时光导仅仅相当丁直接耦合时光学耦合剂的作片j 。随光导长 度的增加，探测器的位置分辨率呈现出递增的趋势。同时，魁b1 7 n 的分布谱也逐渐变宽，并 且在中间部分的粒子数减少较快。 籁 本 籁 太 m m 朋m m 籁 本 籁 本 3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 m m o 8 o 40 00 4o 8 m m 图4 7 用g 勘蝌t 4 模拟光导取不同长度时i u b1 7 n 的位置分布谱 ( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 分别表示p m m a 的长度取2 o m m 、4 o 舳、8 o m m 和1 2 o 姗时r j b 1 7 n 的位置分布谱 2 7 西南大学硕士学位论文 第四章双维位置灵敏c s i ( t 1 ) 闪烁探测器 4 5 5 分析 根据模拟过程和数据处理可知，我们得到的1 7 n 位置分布谱( 图4 5 ( a ) ) 基本上正确反 映了实验结果( 图4 5 ( b ) ) 。当探测器中用作反射面的铝箔