2024年5月4日发(作者：)

DOI:10.13718/.2010.02.014

第35卷　第2期西南师范大学学报(自然科学版)2010年4月

Apr.2010Vol.35　No.2　　JournalofSouthwestChinaNormalUniversity(NaturalScienceEdition)

文章编号:1000-5471(2010)02-0022-05

利用GEANT4模拟研究

RIBLL中的飞行时间探测器

张登高,　李加兴,　钟明飞

西南大学物理科学与技术学院,重庆400715

摘要:基于GEANT4对兰州放射性束流线(RIBLL)中的飞行时间探测器进行了系统的模拟研究,得到了入射粒子

在不同入射位置情况下光子总的收集效率、光子到达光阴极3种情况的收集效率和时间分辨,给出了影响探测器

时间分辨的主要因素和改进方案.

关　键　词:兰州放射性束流线(RIBLL);塑料闪烁体;飞行时间(TOF);时间分辨

中图分类号:O572.21

+

2　　文献标识码:A

在重离子核反应研究中,飞行时间技术在核反应产物鉴别中是必不可少的技术.重离子物理研究中一

般要用到下列几种飞行时间探测器

[1]

:平行板雪崩计数器(PPAC),它是一种传统的工作在雪崩区的气体

探测器,具有很好的定时性能,时间分辨最好为200ps多,但受计数率的影响较大;利用次级电子反射膜

与微道板组成的时间探测器,它具有很好的时间分辨,但探测效率低,价格昂贵;半导体薄片,当重离子通

过它时会产生多次散射,不适宜作起始时间探测器;最后一种是塑料闪烁薄膜探测器.塑料闪烁体具有发

光衰减时间短(1～3ns)、探测效率高、时间响应快的特点,而且可以做成不同的形状,价格便宜.相对而

言塑料闪烁薄膜探测器更适合用作探测时间的探测器.迄今为止,人们发展已经发展了多种基于光电倍增

管作为光信号读出的闪烁薄膜探测器

[2-4]

.

兰州放射性束流线(RIBLL)是弹核碎裂型放射性束产生装置,它利用兰州重离子加速器(HIRFL)提供

的中能重离子引起的弹核碎裂,产生并分离出各种所需的放射性束流

[5]

.这些放射性束流与初级束流相比

直径要大一个数量级,将导致入射粒子的入射范围扩大,可能影响实验的精度和探测效率,但目前尚未发

现此方面的研究,所以我们很有必要进行相关的研究.本文在Linux

[6-7]

操作系统下,利用探测器模拟工具

GEANT4模拟了RIBLL中测量TOF的整个过程.通过改变入射粒子的入射位置得到不同的光子收集效

率和时间分辨率,从而研究影响时间探测器性能的因素,这些研究对飞行时间探测器的设计及改进有着一

定的指导意义.

1　RIBLL中测量TOF的装置

由于RIBLL中研究放射性束的反应运动学分析需要,发展了一种高时间分辨、高计数率能力、低探测

域、耐辐照的时间拾取探测器装置

(图1).该时间探测器的核心是内表面为椭球面的铝制光反射器

①

收稿日期:2009-09-07

[8][9]

,椭

基金项目:国家自然科学基金资助项目(10205019,10475098);西南大学博士基金资助项目(SWNUB2005028).

作者简介:张登高(1979-),男,河南焦作人,硕士研究生,主要从事核物理方面的研究.

第2期　　　　　　张登高,等:利用GEANT4模拟研究RIBLL中的飞行时间探测器

x

2

y

2

z

2

65.0mm,c=球面方程为

2

+

2

+

2

=1,其中a=b=

bca

75.8mm.椭球内表面经过了精心抛光,一个透明塑料

片垂直椭球面固定在椭球内,并以椭球面一个焦点为中

心挖了一个洞,洞上粘了面积为45mm×45mm,厚度

为50μm的塑料闪烁体薄膜BC-422,闪烁体薄膜中心位

于椭球面的一个焦点上,光电倍增管R2083的光阴极中

心位于椭球面的另一个焦点上.光电倍增管R2083波长

范围300～650nm,上升时间0.7ns,增益为2.5×10

6

,

它与BC-422匹配得很好.透明塑料片和闪烁体边缘被涂

黑,可以把在透明胶片或闪烁体内多次反射的光吸收掉,

从而改善时间分辨.

图2是80MeV/uN轰击Be靶,经磁钢度Bρ(表示

运动粒子动量的量度)和降能器结合分离的放射性束分

布图,其中Bρ的设置为放射性束

12

N.从图中明显可以

器的时间分辨大约为130ps.

图1　RIBLL时间拾取探测器装置

14

23

看出,联合使用的ΔE探测器和飞行时间探测器,可以清晰地分辨出产生放射性核束.由此,可得出该探测

2　模拟过程及结果

GEANT4是由CERN的一个小组(IT/API)开发的对粒子和核物理探测器进行MonteCarlo

[10]

模拟的

一个功能强大的工具包

[11]

.采用GEANT4软件包对核物理探测器进行模拟计算,主要考虑了探测器对粒

子的探测效率、时间分辨和位置分辨等.

图3给出了利用GEANT4模拟RIBLL中时间探测器的流程图.我们首先构造了和实验一致的RIBLL

时间拾取探测器装置,定义了粒子源(能量为50MeV的C)和相应的物理过程.入射粒子在穿越塑料闪烁

体时会在闪烁体中沉淀能量,闪烁体产生荧光,荧光在闪烁体内传播,经过反射和折射,最后有一部分光

子到达光电倍增管的光阴极.模拟过程主要包括闪烁体内荧光产生过程、光子传播过程和光电倍增管响

应.最后对模拟过程中产生的数据进行采集、输出和处理.

12

图2　80MeV/uN+Be靶RIB的ΔE-TOF图

14

图3　模拟RIBLL中时间探测器的流程图

[12]

　　模拟过程中入射粒子

12

C的能量取为50MeV,铝椭球面的反射率取63%

.当入射粒子的入射位置

在闪烁膜的中心时,收集光子的时间谱如图4所示,其中3个波峰依次为不经过椭球面反射直接到达光阴

极的光子、经过椭球面一次反射和二次反射到达光阴极的光子.分析数据可知:光子总的收集效率为

27.8%,其中不经过椭球面反射直接到达光阴极的光子占30.4%,经过椭球面一次反射到达光阴极的光子

占56.08%,经椭球面两次反射到达光阴极的光子占13.56%.所以,一次反射的光子是收集光子中的主要

24西南师范大学学报(自然科学版)　　　　　投稿网址　　　　第35卷

成分.从图中可以看出,收集到的光子中,一次反射和直

接到达光阴极的光子混合在一起,二次反射的光子对探

测器的时间分辨的影响较大.

因为放射性束流的包络分布一般在2cm左右,所以

粒子入射在闪烁膜的不同位置对时间信号的影响要考

虑.模拟程序中规定闪烁膜平面为y-z平面,经过闪烁

膜中心的水平方向为y轴,经过闪烁膜中心的竖直方向

为z轴,远离光电倍增管光阴极的方向为z轴正向.我

们分别在y轴和z轴上每间隔5mm选取了8个不同的

入射位置,在不同的位置进行了模拟计算,分别得到了

在不同入射位置光子总的收集效率和光子到达光阴极的

3种情况的光子收集效率(图5,6).

从图5可以看到,光子总的收集效率和两次反射光

子的收集效率随着入射点在z轴的变化变化不大,略有

12

图4　C的模拟时间谱

减小;但一次反射和直接入射光倍管光阴极的效率变化较大.在靠近光阴极的z轴负向20mm处,光子不

经过椭球面反射直接到达光阴极的光子收集效率最小,只有9.86%;而经过椭球面一次反射和二次反射到

达光阴极的光子收集效率是最大的,分别为65.16%和23.83%.随着入射位置从z轴负向20mm处竖直

向上移动,一次反射到达光阴极的光子收集效率逐渐减小,在z轴正向10mm处最小,只有29.87%;而

不经过椭球面反射到达光阴极的光子收集效率逐渐增大,在z轴正向10mm处最大,为55.61%.这主要

是由于在z轴正向10mm处经闪烁膜反射后从椭球面孔中飞出去的光子数目最多,而靠近光阴极的z轴负

向20mm处经闪烁膜反射后从椭球面孔中飞出去的光子数目最少.

从图6中可以看到,经过椭球面一次反射和二次反射到达光阴极的光子收集效率边缘位置比中心高,

而不经过椭球面反射到达光阴极的光子收集效率中心位置要比边缘高,在距中心正负15mm处经椭球面

二次反射到达光阴极的光子收集效率是最高的,分别为34.64%和26.53%.这主要是因为当入射点在中心

位置附近时,有大量的光子经闪烁膜反射后从椭球面的入射孔和反射孔中飞了出去,造成光子的收集效率

降低.

□光子总收集效率;

○不经过椭球面反射直接到达光阴极的光子收集效率;

△经过椭球面一次反射到达光阴极的光子收集效率;

▼经过椭球面两次反射到达光阴极的光子收集效率.

图5　入射点在z轴不同位置时的光子收集效率图6　入射点在y轴不同位置时的光子收集效率

　　图7是入射点在z轴时各点光子的时间分辨,从图中可知在z轴负向的时间分辨要明显好于在z轴正

向的时间分辨.这主要是因为靠近光阴极光子总的收集效率较高,经闪烁膜发射后从椭球面孔中飞出去的

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光子数目少.另外,随着入射位置从z轴负向20mm处竖直向上移动,一次反射到达光阴极的光子收集效

率逐渐减小,在z轴负向20mm处一次反射到达光阴极的光子收集效率最大,为65.16%;在z轴正向10

mm处最小,只有29.87%.

图8是y轴方向上各点光子的时间分辨,从图中可知在中心位置的时间分辨除了距中心10mm处外

要好于边缘位置的时间分辨.这主要是因为在中心位置附近光子不经过椭球面直接到达光阴极的光子收集

效率较大,光子总的收集效率较好;另外,边缘位置经椭球面二次反射到达光阴极的光子收集效率明显高

于中心位置,在距中心正负15mm处经椭球面二次反射到达光阴极的光子比率是最高的,分别为34.64%

和26.53%.

图7　入射点在z轴不同位置时光子的时间分辨图8　入射点在y轴不同位置时光子的时间分辨

　　从上面的理论分析看,产生光子的收集效率随入射位置的变化影响很大.由于放射性束的束流包络较

宽,所以,利用该形状的探测器进行能损的测量会产生较大误差,不适合进行能量的精确测量.

理论模拟的时间分辨都好于实际实验获得的分辨.主要是由于我们只是分析了探测器的结构对时间信

号的影响,还有光倍管的涨落,光倍管收集电子的电路设计,后端电子学的影响等因素并没有考虑在内,

这也是我们后续的工作.

3　讨　　论

利用GEANT4对RIBLL中飞行时间探测器的模拟,通过比较入射粒子不同入射点可以看出:粒子入

射位置对光子总的收集效率和时间分辨都起着至关重要的作用,入射点在中心位置附近时间分辨较好,入

射点靠近光阴极的位置光子收集效率高、时间分辨好.

要提高探测器的性能,粒子入射点的位置可以从中心竖直向下适当移动一小段距离,从而提高光子总

的收集效率和时间分辨;也可以适当减小椭球面上入射孔和出射孔的直径,从而减少光子从孔中飞出去的

比率;另外可以适当减小椭球的长半轴的长度,以减少二次反射光子的收集效率,但长半轴的长度也不能

过小,否则将减小光子总的收集效率.总之,必须综合考虑各方面的因素才能最大限度地提高探测器性能.

参考文献:

[1]赵有雄,詹文龙,郭忠言,等.椭球面聚焦型镜像塑料闪烁探测器及其应用[J].核电子学与探测技术,1995,15(5):

270-274.

[2]　MugaML,BumsedDJ,SteegerWE,me-of-flightParticleDetector[J].NuclInstandMeth,1970,

83:135-138.

[3]　GeisselH,GuttnerK,KnappG,minationbetweenDifferentionsUsingThinScintillatorFilmsasTime-of-

flightDetectors[J].NuclInstandMeth,1978,154:239-243.

[4]　CarlsonRF,CoxAJ,NasrTN,ementsofProtonTotalReactionCrossSectionsfor6Li,7Li,14N,

26西南师范大学学报(自然科学版)　　　　　投稿网址　　　　第35卷

20Neand40Arbetween23and49MeV[J].NuclPhys,1985,A445:57-69.

[5]　詹文龙,郭忠言.兰州放射性束流线[J].原子核物理评论,1999,16(4):218-223.

[6]　赵明富,李太福,吴　军,等.嵌入式Linux操作系统的实时化研究[J].西南师范大学学报(自然科学版),2003,

28(3):386-390.

[7]　李绿山.Linux无盘网络[J].贵州师范大学学报(自然科学版),2000,18(3):91-93.

[8]　ZhaoYouxiong,ZhanWenlong,GuoZhongyan,ofTheThinPlasticScintillatorFocusedbyUsingCon-

caveEllipsoidalMirrorinHeavyIonTOF[J].NuclInstrMeth,1995,A355:464-468.

[9]　李加兴,詹文龙,郭忠言,等.RIBLL中的TOF测量[J].高能物理与核物理,1999,23(3):231-236.

[10]易文德,卫贵武.二维时间序列短期相依模型及其Monte-Carlo模拟[J].西南大学学报(自然科学版),2009,31(3):

5-8.

[11]Agostinellis,AllisonJ,AmakoK,4—ASimulationToolkit[J].NuclInstrumMethods,2003,A506:

250-303.

[12]蒋林立.BESⅢ飞行时间计数器的束流实验模拟及离线软件发展研究[D].合肥:中国科学技术大学,2006:61-62.

ASimulationStudyoftheTime

ofFlightDetectorinRIBLLwithGEANT4

ZHANGDeng-gao,　LIJia-xing,　ZHONGMing-fei

SchoolofPhysicalScienceandTechnology,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China

Abstract:BasedonGEANT4,theauthorshavesystematicallysimulatedthetimedetectorinRadioactive

IonBeamLineinLanzhou(RIBLL).Thephotontotalcollectionefficiency,photoncollectionefficiencyand

timeresolutionunder3casesarrivingatphotocathode,followingtheincidentparticlesatdifferentposi-

tion,nfactors,whichcanaffectthedetector'sperformance,weregivenandsome

improveschemeswereproposed.

Keywords:radioactiveionbeamlineinlanzhou(RIBLL);plasticscintillator;timeofflight(TOF);time

resolution

责任编辑　潘春燕