張永杰 余玉洪 周勇,3 孫志宇 方芳,4 陳俊嶺 劉杰

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批量塑閃單元條測(cè)試技術(shù)的研究

張永杰1,2余玉洪1周勇1,3孫志宇1方芳1,4陳俊嶺1劉杰1

1（中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000）;2（西北師范大學(xué) 蘭州 730070）;3（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）;4（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 合肥 230022）

尋找暗物質(zhì)粒子是目前最有影響力的前沿課題之一，廣泛受到世界各國(guó)重視。我國(guó)啟動(dòng)了暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星(Dark Matter Particles Explorer, DAMPE)先導(dǎo)專項(xiàng)，致力研究這一科學(xué)問題。暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星有效載荷由塑閃陣列探測(cè)器(Plastic Scintillator Detector Array, PSD)、硅陣列探測(cè)器、BGO (Bi2O3-GeO2)量能器以及中子探測(cè)器組成，用于探測(cè)5 GeV?10 TeV高能電子、γ及重離子能譜。中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所承擔(dān)了塑閃陣列探測(cè)器的研制工作，塑閃陣列探測(cè)器由82根塑閃單元模塊采用橫豎交叉結(jié)構(gòu)組成，主要協(xié)助BGO量能器區(qū)分γ事件和電子事件，并作為硅陣列探測(cè)器的備份，探測(cè)=1?20的重離子事件。由于塑閃單元條模塊存在較大的差異，所以搭建了一套具有較高測(cè)試效率的塑閃單元條批量測(cè)試平臺(tái)，并對(duì)塑閃單元條進(jìn)行宇宙線測(cè)試，得到其基本性能參數(shù)，如光衰減曲線、光衰減長(zhǎng)度、相對(duì)光產(chǎn)額、能量分辨率以及探測(cè)效率。這為后續(xù)篩選出一致性較好并能滿足功能需求的82根單元條提供了依據(jù)。

塑料閃爍體，衰減長(zhǎng)度，相對(duì)光產(chǎn)額，探測(cè)效率

暗物質(zhì)研究作為21世紀(jì)最有影響力的科學(xué)前沿課題之一，廣泛受到各國(guó)重視，各國(guó)投入大量人力、物力和財(cái)力集中研究這一課題?？臻g間接探測(cè)法是暗物質(zhì)粒子探測(cè)及屬性研究最為主要的方法之一。根據(jù)當(dāng)前的物理理論模型，暗物質(zhì)粒子經(jīng)過衰變或者相互作用后產(chǎn)生穩(wěn)定的高能粒子，通過對(duì)這些粒子的能譜進(jìn)行精確的測(cè)量，有可能揭開暗物質(zhì)的蹤跡之謎。為在空間探測(cè)暗物質(zhì)粒子方面取得突破，中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)了暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星的研制。暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星為單一有效載荷衛(wèi)星，其有效載荷由塑閃陣列探測(cè)器(Plastic Scintillator Detector Array, PSD)、硅陣列探測(cè)器、BGO (Bi2O3-GeO2)量能器及中子探測(cè)器組成，主要目標(biāo)是通過探測(cè)5GeV?10 TeV的高能電子、高能γ等宇宙射線的能譜來尋找暗物質(zhì)粒子并研究其屬性問題，同時(shí)通過對(duì)宇宙射線中重離子能譜的分析，研究宇宙線傳播和加速機(jī)制[1?2]。

中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所承擔(dān)了其中塑閃陣列探測(cè)器的研制工作，其主要功能是用于協(xié)助BGO量能器區(qū)分入射高能電子和γ事件以及用于區(qū)別=1?20的重離子。為滿足上述功能需求，要求探測(cè)器能夠在具有較大的動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)，對(duì)帶電粒子有高的探測(cè)效率和較好的能量分辨能力。由于整個(gè)探測(cè)器采用了橫豎交叉互為垂直的單元模塊化設(shè)計(jì)，并由82個(gè)獨(dú)立單元組成，因此要求每一個(gè)單元都能滿足如上功能需求。

其中，每個(gè)單元又主要由讀出器件光電倍增管和探測(cè)器介質(zhì)有機(jī)塑料閃爍體條組成。塑料閃爍體材料的型號(hào)為EJ-200，它由美國(guó)ELJEN公司負(fù)責(zé)生產(chǎn)，具有強(qiáng)的抗輻照特性、快的時(shí)間響應(yīng)、長(zhǎng)的衰減長(zhǎng)度、光輸出高及易于加工等特性，因此被廣泛應(yīng)用于空間探測(cè)項(xiàng)目，如AMS (Alpha Magnetic Spectrometer)、PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics)等。由于生產(chǎn)及加工工藝的條件不可能控制到完全相同，導(dǎo)致不同批次生產(chǎn)的單元條或同批次間加工的單元條性能上存在個(gè)體差異，具體表現(xiàn)在光衰減長(zhǎng)度、光產(chǎn)額及粒子響應(yīng)特性等參數(shù)數(shù)值不同，甚至有較大的差異，這就要求搭建測(cè)試平臺(tái)對(duì)批量塑料閃爍體條進(jìn)行測(cè)試，選擇出一致性較好并滿足性能指標(biāo)要求的單元條。

較為理想的測(cè)試方法是利用加速器提供的高能質(zhì)子或電子束作為射線源對(duì)單元條進(jìn)行測(cè)試，但受限于實(shí)際條件，該方案不太可能實(shí)現(xiàn)。一種替代的方法是利用天然的宇宙線作為測(cè)試的射線源。在海平面上，宇宙線射線的主要成分為子，它是宇宙線原初粒子與大氣原子核相互作用后產(chǎn)生的次級(jí)介子衰變后的產(chǎn)物，具有壽命長(zhǎng)、穿透能力強(qiáng)且速度接近光速等特性。在海平面上子的平均能量為3?4GeV[3]，蘭州海拔為1500 m，粗略認(rèn)為子的平均能量稍高于在海平面能量，由于最小電離能區(qū)寬，到達(dá)蘭州的子仍被認(rèn)為是最小電離粒子，當(dāng)子垂直通過1 cm厚的塑閃單元條時(shí)，其沉積的能量約為2 MeV。利用宇宙射線作為射線源的缺點(diǎn)是單位時(shí)間內(nèi)單位面積的事例數(shù)很少致使測(cè)試效率低下（在海平面，垂直入射的宇宙射線強(qiáng)度約為0.8×10?2cm?2·s?1），如果每次只能對(duì)單根塑閃單元條單個(gè)擊中位置進(jìn)行測(cè)試的話，需要耗費(fèi)大量的研制時(shí)間致使研制進(jìn)度無法滿足，因此迫切需要搭建一套操作方便、測(cè)試效率較高并具有批量測(cè)試能力，同時(shí)又能對(duì)光衰減長(zhǎng)度、光輸出均勻性、最小電離粒子(Minimum Ionizing Particle, MIPs)的探測(cè)效率及MIPs的電荷測(cè)量分辨能力等測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試的多功能需求測(cè)試平臺(tái)。

1 塑閃單元條批量測(cè)試平臺(tái)的搭建

如圖1所示，整個(gè)塑閃單元條測(cè)試平臺(tái)由探測(cè)器單元條模塊、前端讀出電子學(xué)(Front End Electronics, FEE)和上位機(jī)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(Data Acquisition, DAQ)及數(shù)據(jù)分析等組成，這與之前的塑閃測(cè)試平臺(tái)[4]不同之處主要在于測(cè)試目標(biāo)、被測(cè)塑閃單元條尺寸、輸出信號(hào)通道數(shù)量以及電子學(xué)探測(cè)器單元條模塊部分（包括了兩種不同尺寸類型的單元條）。一種是尺寸為884 mm×28 mm×10 mm的被測(cè)單元條模塊，共有24個(gè)，分別放置在上、中、下層，各層間距5 cm，同一層相鄰的單元條之間緊密排布，不同層之間的單元條互相平行且整體之間沒有錯(cuò)位偏離；另一種是尺寸為34 mm×2 mm× 1mm觸發(fā)探測(cè)器單元條模塊，共有5組，每組由上下兩個(gè)互相平行的單元條模塊構(gòu)成，5組觸發(fā)探測(cè)器沿被測(cè)塑閃單元條中間位置起0 cm、±17 cm、±34cm的位置處放置，并與之保持垂直，它的功能主要是用于定位宇宙射線的擊中位置。

圖1 塑閃單元條測(cè)試平臺(tái)示意圖

被測(cè)塑閃單元條模塊與觸發(fā)探測(cè)器單元模塊反射包裝材料均采用美國(guó)杜邦公司的Tyvek1056D，該材料相對(duì)于Tyvek其他類型包裝材料能夠明顯提升相對(duì)光產(chǎn)額[5]，外部進(jìn)一步使用黑色熱縮管包裹，起到約束光傳輸和避光作用。被測(cè)塑閃單元條模塊與觸發(fā)探測(cè)器單元模塊都采用了雙端讀出方式，直接使用美國(guó)ELJEN公司生產(chǎn)的EJ-550硅脂耦合日本濱松公司生產(chǎn)的R4443MOD2光電倍增管，與塑閃陣列探測(cè)器采用的光電倍增管型號(hào)一致，使測(cè)試條件更接近實(shí)際情況。被測(cè)塑閃單元條模塊兩端的光電倍增管輸出第8打拿極信號(hào)，觸發(fā)探測(cè)器不僅輸出第8打拿極信號(hào)，還輸出了陽(yáng)極信號(hào)。當(dāng)MIPs擊中塑閃單元條時(shí)，傳輸?shù)焦怆姳对龉芄怅帢O的閃爍光經(jīng)光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換、倍增后，經(jīng)由打拿極輸出，送入前端電子學(xué)，經(jīng)過前置放大器、成形、采樣保持及模數(shù)變換等電路后送入獲取系統(tǒng)，經(jīng)由上位機(jī)儲(chǔ)存和分析。而觸發(fā)探測(cè)器輸出的另外一路陽(yáng)極信號(hào)則被送入傳統(tǒng)的NIM插件，經(jīng)由美國(guó)ORTEC公司生產(chǎn)的定時(shí)恒分甄別器CF8000甄別成邏輯信號(hào)，每組的邏輯信號(hào)互相之間作符合運(yùn)算，輸出的符合信號(hào)再與其余4組符合運(yùn)算結(jié)果作或邏輯，最終得到的邏輯信號(hào)作為數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的觸發(fā)信號(hào)。

此外，對(duì)平臺(tái)所用的光電倍增管進(jìn)行相對(duì)增益測(cè)量，得到其增益隨高壓的變化數(shù)據(jù)，據(jù)此給不同光電倍增管設(shè)置不同高壓得到較為一致的增益，既保證每組觸發(fā)探測(cè)器的觸發(fā)率較為接近，又使被測(cè)塑閃單元條雙端讀出的信號(hào)幅度有可對(duì)比性。為方便探測(cè)器單元條模塊的固定與定位，專門設(shè)計(jì)了探測(cè)器支架。利用該支架，可以實(shí)現(xiàn)擊中位置和入射角度的調(diào)整，同時(shí)，在外圍加上一個(gè)避光罩可以實(shí)現(xiàn)良好的避光作用。批量測(cè)試平臺(tái)每輪測(cè)試至少需要24 h，保證每根被測(cè)單元條的每個(gè)擊中點(diǎn)的有效事例數(shù)達(dá)到1300個(gè)以上，使統(tǒng)計(jì)誤差控制在3%以內(nèi)。

2 測(cè)試結(jié)果與討論

2.1 技術(shù)光衰減長(zhǎng)度

有機(jī)閃爍體用于高能粒子和宇宙射線探測(cè)時(shí)，入射粒子會(huì)損失一部分能量，致使在粒子穿過路徑附近的分子電離、激發(fā)或離解，其中一部分激發(fā)能以不發(fā)光的方式散失掉，另一部分則通過產(chǎn)生熒光的形式實(shí)現(xiàn)退激發(fā)。熒光在閃爍體內(nèi)部傳輸時(shí)，會(huì)因?yàn)闊晒庾晕?、散射及表面反射等因素按?fù)指數(shù)的規(guī)律逐漸衰減。在實(shí)際應(yīng)用中，常用“技術(shù)光衰減長(zhǎng)度”來衡量閃爍體自身透光性的好壞。定義為損失到初始熒光量1/e時(shí)所經(jīng)過的長(zhǎng)度，它與閃爍體單元條自身的尺寸、幾何形狀、表面拋光和包裹的反射材料等都有關(guān)系，是反映有機(jī)塑料閃爍體性能的一個(gè)重要參數(shù)。越大，閃爍光衰減越小，傳輸?shù)絾卧獥l讀出端面的熒光數(shù)目就越多，通常希望該值越大越好。

通常有機(jī)閃爍體發(fā)出的閃爍光具有短波和長(zhǎng)波兩種成分。對(duì)于狹長(zhǎng)尺寸的閃爍體，短波成分由于發(fā)射光譜和吸收光譜幾近重疊而極易在單元條中傳輸時(shí)吸收掉，可以近似認(rèn)為傳輸?shù)絾卧獥l讀出端面的都是長(zhǎng)波這一種成分，可以用式(1)描述閃爍光在狹長(zhǎng)單元條中的傳輸規(guī)律[6]：

式中，0為帶電粒子射線擊到閃爍體某一點(diǎn)后產(chǎn)生的熒光光子數(shù)；()為距擊中點(diǎn)為的熒光光子數(shù)；為技術(shù)光衰減長(zhǎng)度。它可以用脈沖幅度法測(cè)量，即通過改變?nèi)肷淞Ｗ釉谒荛W單元條中的擊中位置，并在單元條同一讀出端面利用光電倍增管測(cè)量其信號(hào)脈沖的幅度。

通過我們搭建的塑閃單元條測(cè)試平臺(tái)，可以同時(shí)測(cè)量5個(gè)不同擊中位置的脈沖幅度信號(hào)，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是可以消除外部環(huán)境溫度改變帶來的塑料閃爍體發(fā)光效率不同，即消除溫度效應(yīng)對(duì)光產(chǎn)額的影響。圖2給出了不同擊中位置的脈沖幅度譜圖，其最可幾峰值(Most Probable Value,)可以由朗道分布函數(shù)與高斯分布函數(shù)的卷積擬合得到[7]。通過分析得到的擬合分析結(jié)果，可以得到不同擊中位置的能量分辨率。從已得到的所有被測(cè)單元條5個(gè)不同擊中位置的結(jié)果得知其能量分辨率均好于20%。

圖2 宇宙線擊中塑閃單元條中心位置處左端PMT讀出的信號(hào)（實(shí)線）和宇宙線擊中距塑閃單元條左端10 cm處左端PMT讀出的信號(hào)（點(diǎn)線）(a)，塑閃單元條中間位置的能量分辨率(b)

圖3給出了最可幾幅度值與擊中位置的關(guān)系。從圖3中可以看出，單元條不同擊中位置間的幅度值與位置的關(guān)系曲線是單調(diào)平滑的，這可以作為判斷包裝工藝好壞的一個(gè)判據(jù)。通過分析擊中位置的幅度值與擬合曲線的數(shù)值關(guān)系，可以剔除包裝不好的單元條。此外左右兩端光電倍增管所測(cè)得的技術(shù)光衰減長(zhǎng)度數(shù)值稍有差異，導(dǎo)致的原因是大面積的塑閃材料在生產(chǎn)時(shí)不可能完全做到發(fā)光物質(zhì)在閃爍體內(nèi)部絕對(duì)均勻的摻雜。因此，在測(cè)試過程中，如果數(shù)據(jù)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)兩端測(cè)量的技術(shù)光衰減長(zhǎng)度相差很大，也將予以剔除。

在實(shí)際的選用過程中，除了要求所測(cè)得的技術(shù)光衰減長(zhǎng)度與位置的關(guān)系曲線要單調(diào)平滑和雙端的數(shù)值不能有較大差異外，還需確定一個(gè)范圍，即技術(shù)光衰減長(zhǎng)度的數(shù)值不能小于該值。對(duì)于塑閃陣列探測(cè)器，當(dāng)宇宙射線中的子穿過1 cm厚的塑閃單元條時(shí)，沉積的能量約為1MIP，由于單元條是狹長(zhǎng)形的，兩端讀出的光倍管距離較遠(yuǎn)，當(dāng)子在擊中單元條一端時(shí)，考慮到前端電子學(xué)的靈敏度，希望遠(yuǎn)端光倍管輸入的信號(hào)幅度至少大于0.3MIP能量沉積產(chǎn)生的等效信號(hào)大小。根據(jù)式(1)，可以計(jì)算得到所要求的技術(shù)光衰減長(zhǎng)度至少要大于0.83，其中為單元條的長(zhǎng)度。對(duì)185根塑閃單元條進(jìn)行了批量測(cè)試，最終選擇出了滿足技術(shù)光衰減長(zhǎng)度判據(jù)的163根單元條。由圖4(a)，斜線直方圖表示185根單元條，點(diǎn)斜相交部分表示163根單元條；由圖4(b)，斜線直方圖表示185根單元條，點(diǎn)斜相交分布表示153根單元條。

圖3 MPV值與宇宙線擊中位置關(guān)系圖

圖4 衰減長(zhǎng)度(a)和均勻性分布圖(b)

此外，還可通過分析不同擊中位置的相對(duì)光產(chǎn)額，分析單元條的均勻性。相對(duì)光產(chǎn)額定義為[5]，其中L為子擊中單元條某一位置時(shí)左端光電倍增管(Photomultiplier Tube, PMT)信號(hào)的脈沖幅度大小，R則為右端PMT的信號(hào)脈沖幅度大小。比較對(duì)稱的兩個(gè)擊中位置相對(duì)光產(chǎn)額差值與中間位置相對(duì)光產(chǎn)額的比值，可以衡量被測(cè)單元條自身的均勻性，根據(jù)物理設(shè)計(jì)要求，該比值小于5%。通過批量數(shù)據(jù)，選擇出滿足該判據(jù)的156根單元條。

2.2 探測(cè)效率

塑閃陣列探測(cè)器的主要功能之一是作為反符合探測(cè)器，這就要求塑閃單元條對(duì)高能帶電粒子有較高的探測(cè)效率，從而避免將高能電子事例誤判為高能伽瑪事例。根據(jù)有效載荷物理總體的技術(shù)要求，單根塑料閃爍體單元條的探測(cè)效率要大于95%。由于高能電子在塑閃單元條中的主要能損為電離能量損失，與宇宙射線中的子能損方式及大小相當(dāng)，在沒有高能電子束的條件下，可以利用子替代高能電子束對(duì)單元條的探測(cè)效率進(jìn)行測(cè)試。

對(duì)塑料閃爍體單元條探測(cè)效率傳統(tǒng)的測(cè)試方法是在塑料閃爍體單元條上下各放置一個(gè)小閃爍體探測(cè)器（小閃爍體探測(cè)器的面積要足夠?。?，這樣可以保證入射粒子穿過上下兩個(gè)小閃爍體探測(cè)器時(shí)，必然穿過被測(cè)塑閃單元條，通過小閃爍體和單元條的三重符合計(jì)數(shù)和小閃爍體的二重符合計(jì)數(shù)之比，即可得到某一擊中位置的探測(cè)效率。要得到不同擊中位置的探測(cè)效率，通過移動(dòng)兩個(gè)小閃爍體的位置即可實(shí)現(xiàn)。利用圖1搭建的測(cè)試平臺(tái)，每組觸發(fā)探測(cè)器的寬度僅為2 cm，遠(yuǎn)小于被測(cè)塑閃單元條的長(zhǎng)度，而與單元條垂直方向觸發(fā)探測(cè)器的長(zhǎng)度為34cm，則遠(yuǎn)大于塑閃單元條的寬度。這樣導(dǎo)致在進(jìn)行離線數(shù)據(jù)分析時(shí)，如果僅用擊中每組的觸發(fā)探測(cè)器作為入射子的總計(jì)數(shù)，單元條與每組觸發(fā)探測(cè)器的符合計(jì)數(shù)作為實(shí)際觀測(cè)到的入射子數(shù)，所計(jì)算得到的探測(cè)效率不是真實(shí)的探測(cè)效率，原因是在幾何空間上穿過觸發(fā)探測(cè)器的子并沒有穿過被測(cè)單元條。

如圖5所示，斜入射事件2在幾何空間上穿過觸發(fā)探測(cè)器時(shí)并不一定穿過被測(cè)單元條。為得到塑閃單元條真實(shí)的探測(cè)效率，在幾何空間上要保證入射子在經(jīng)過觸發(fā)探測(cè)器的同時(shí)必然經(jīng)過被測(cè)塑閃單元條，這就要求離線分析時(shí)篩選出垂直入射子事件作為總?cè)肷淞Ｗ佑?jì)數(shù)。首先按圖5所示，將三層共計(jì)24根塑閃單元條進(jìn)行編號(hào)。從圖5中可以看出，第二層塑閃單元條上下有相互平行相同尺寸大小的塑閃單元條并且沒有錯(cuò)位偏移，利用上下塑閃條對(duì)宇宙射線進(jìn)行卡窗，可以保證所選擇的宇宙線是垂直入射的。第二層塑閃單元條探測(cè)效率公式為：

式中，S為第二層某一塑閃單元條；S?8和S+8分別為S上下互相平行對(duì)應(yīng)的塑閃條。分母代表宇宙線入射事件總計(jì)數(shù)，分子代表第根塑閃單元條探測(cè)到的有效事件計(jì)數(shù)。

圖5 反符合方法測(cè)試探測(cè)效率示意圖

Fig.5 Layout of measuring detection efficiency with anticoincidence method.

對(duì)于第一層和第三層的單元條，在空間排布上具有很好的對(duì)稱性，這意味著該兩層的單元條的探測(cè)效率計(jì)算方法是一致的，以圖5中所示第3根單元條探測(cè)效率的計(jì)算為例，僅靠觸發(fā)探測(cè)器、11根和19根塑閃單元條對(duì)宇宙線進(jìn)行卡窗并不能完全保證宇宙線是垂直入射的，圖5中事件2在穿過觸發(fā)探測(cè)器、11根和19根單元條時(shí)并沒有穿過3根塑閃單元條。因此如果僅使用式(2)的卡窗條件計(jì)算3根單元條的探測(cè)效率，由于沒有辦法完全排除斜入射事件，致使式(2)中的分母增大，所計(jì)算得到的第一層和第三層的塑閃單元條的探測(cè)效率比真實(shí)探測(cè)效率偏小。因此需要重新考慮選擇合適的卡窗條件，擬增加3根單元條附近的單元條進(jìn)行反符合選擇，使斜入射事件得到充分排除，確保入射事件為垂直入射事件，這樣第一層塑閃的探測(cè)效率的計(jì)算公式可改寫為：

其中，!anticoin為各反符合項(xiàng)乘積，其具體表達(dá)式為：

對(duì)于第一層邊上的兩根單元條，即第1根和第8根塑閃單元條不適合使用式(3)計(jì)算探測(cè)效率，原因是第1根單元條的左側(cè)和第8根單元條的右側(cè)沒有相應(yīng)的塑閃單元條可以利用進(jìn)行對(duì)斜入射事件的排除。因此，式(3)僅適用于第2?7根塑閃單元條探測(cè)效率的計(jì)算。由于對(duì)稱性，第三層塑閃單元條探測(cè)效率計(jì)算方法同第一層單元條相同，當(dāng)然，兩側(cè)邊上的兩根單元條的探測(cè)效率也無法通過式(3)計(jì)算得到。

應(yīng)用式(2)和(3)對(duì)平臺(tái)24根塑閃單元條的探測(cè)效率進(jìn)行計(jì)算得到如圖6所示的結(jié)果。結(jié)果顯示排在第二層第9?16根塑閃單元條5個(gè)不同觸發(fā)位置的探測(cè)效率都很高，有的單元條探測(cè)效率達(dá)到100%，說明利用式(2)計(jì)算第二層塑閃探測(cè)效率時(shí)，基本能保證入射子事件是垂直入射的。排在第一層第2?7根和第三層第18?23根單元條探測(cè)效率均在95%?98%，這些單元條的探測(cè)效率整體上比第二層偏低。其原因是在測(cè)試平臺(tái)安裝塑閃單元條的實(shí)際過程中，由于兩端耦合讀出光電倍增管的分壓電路外部屏蔽盒的尺寸比被測(cè)單元條的寬度大，致使相鄰的單元條之間存在2 mm的縫隙，造成了探測(cè)死區(qū)，即不能靠?jī)蓚?cè)單元條的反符合完全消除斜入射事件，造成這些單元條計(jì)算得到的探測(cè)效率比真實(shí)探測(cè)效率小，但所得到的計(jì)算結(jié)果仍滿足總體給出的技術(shù)要求。此外，第一層和第三層最外側(cè)的4根單元條由于只有一側(cè)有相鄰的單元條，而總的觸發(fā)探測(cè)器的長(zhǎng)度要比一層內(nèi)8根單元條的總寬度寬，致使單元條另一側(cè)入射的斜入射事件無法排除，使用式(3)計(jì)算探測(cè)效率時(shí)得到的探測(cè)效率值低，對(duì)該值不予采用，在下一輪測(cè)試中可以將這4根單元條放置在其余位置，進(jìn)行第二輪重新測(cè)試，得到其探測(cè)效率。

圖6 測(cè)試平臺(tái)各個(gè)測(cè)試通道的塑閃單元條探測(cè)效率

3 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)驗(yàn)室成功搭建了一套塑閃單元條批量測(cè)試平臺(tái)，大幅度提高了測(cè)試效率。利用該測(cè)試平臺(tái)，可以同時(shí)得到20根塑閃單元條的技術(shù)光衰減曲線及長(zhǎng)度、探測(cè)效率、能量分辨率和相對(duì)光產(chǎn)額等性能參數(shù)，并挑選出了滿足塑閃陣列探測(cè)器最終需求的塑閃單元條。這為后續(xù)的整個(gè)探測(cè)器系統(tǒng)下一步研制工作提供了可靠的科學(xué)數(shù)據(jù)，并保證了整個(gè)研制計(jì)劃按節(jié)點(diǎn)順利進(jìn)行。

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Development of a test bench for plastic scintillator counters for the DAMPE

ZHANG Yongjie1,2YU Yuhong1ZHOU Yong1,3SUN Zhiyu1FANG Fang1,4CHEN Junling1LIU Jie1

1(Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China);2(Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China);3(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China);4(University of Science & Technology of China, Hefei 230022, China)

Background: Plastic scintillator detector array (PSD), developed by Institute of Modern Physics,Chinese Academy of Sciences (IMPCAS), is one of the most important parts in the payload of Dark Matter Particles Explorer (DAMPE) which is mainly used for the study of dark matter. As an anti-coincidence detector, and a charged-particle identification detector, the PSD is composed by 82 plastic scintillator counters.Purpose: Due to the difference among a batch of scintillator counters, it is necessary to develop a test bench with high test efficiency and also to obtain their performance, such as uniformity of light output, light attenuation length, peak of Minimum Ionizing Particle (MIPs) and detection efficiency simultaneously. Methods: A high-efficiency test bench, including electronic modules, data acquisition, analysis system,, has been constructed to study the characteristics of 24 scintillator counters with cosmic rays. Individual trigger module with dimensions of 34 cm×2 cm×1 cm has been set up at different points of ±34 cm, ±17 cm and 0 cm. With this test bench, the light attenuation length and other main parameters of 20 counters have been investigated. Results and Conclusion: Through the high-efficiency test bench, data of 20 scintillator counters could be obtained simultaneously. After analysis of 185 counters’ data, we can select 82 counters which fulfill all technology parameters provided by DAMPE and use in PSD.

Plastic scintillator counter, Attenuation length, Relative light yield, Detection efficiency

TL812+.1

TL812+.1

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.080403

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星塑閃陣列探測(cè)器子課題(No.XDA04040202-3)資助

張永杰，男，1988年出生，現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所與西北師范大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生，從事核探測(cè)器研究

余玉洪，E-mail: yuyuhong@impcas.ac.cn

2015-03-03，

2015-05-08