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刘相满, 唐述文, 刘伍丰, 孙志宇, 余玉洪, 王伟, 陈若富, 陈俊岭, 张永杰, 方芳, 闫铎, 王世陶, 章学恒, 陆建伟, 周冰倩. 基于SiPM双端读出的 γ射线探测器研究[J]. 原子核物理评论. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC03
引用本文: 刘相满, 唐述文, 刘伍丰, 孙志宇, 余玉洪, 王伟, 陈若富, 陈俊岭, 张永杰, 方芳, 闫铎, 王世陶, 章学恒, 陆建伟, 周冰倩. 基于SiPM双端读出的 γ射线探测器研究[J]. 原子核物理评论. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC03
Xiangman LIU, Shuwen TANG, Wufeng LIU, Zhiyu SUN, Yuhong YU, Wei WANG, Ruofu CHEN, Junling CHEN, Yongjie ZHANG, Fang FANG, Duo YAN, Shitao WANG, Xueheng ZHANG, Jianwei LU, Bingqian ZHOU. Study of the $\gamma $-Ray Detector of Dual-ended Readout Based on SiPM[J]. Nuclear Physics Review. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC03
Citation: Xiangman LIU, Shuwen TANG, Wufeng LIU, Zhiyu SUN, Yuhong YU, Wei WANG, Ruofu CHEN, Junling CHEN, Yongjie ZHANG, Fang FANG, Duo YAN, Shitao WANG, Xueheng ZHANG, Jianwei LU, Bingqian ZHOU. Study of the $\gamma $-Ray Detector of Dual-ended Readout Based on SiPM[J]. Nuclear Physics Review. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC03

基于SiPM双端读出的 γ射线探测器研究

doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC03
基金项目: 河南省科技攻关项目(172102210028);河南省高等学校重点科研项目(17A490001);河南省高等学校青年骨干教师项目(2016GGJS-066);校青年骨干教师培养计划(2018008);校省属高校基本科研业务费专项资金资助项目(2017RCJH12)
详细信息

Study of the $\gamma $-Ray Detector of Dual-ended Readout Based on SiPM

Funds: Scientific and Technological Project of Henan Province (172102210028); Key Scientific Research Project for Universities of Henan Province (17A490001); Youth Backbone Teacher Project of Colleges and Universities of Henan Province (2016GGJS-066); School Youth Backbone Teacher Training Program (2018008); Special Funds for Basic Scientific Research Business Expenses of Universities and Colleges (2017RCJH12)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-11-25
  • 录用日期:  2019-12-31
  • 修回日期:  2019-12-31
  • 网络出版日期:  2020-06-12

基于SiPM双端读出的 γ射线探测器研究

doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC03
    基金项目:  河南省科技攻关项目(172102210028);河南省高等学校重点科研项目(17A490001);河南省高等学校青年骨干教师项目(2016GGJS-066);校青年骨干教师培养计划(2018008);校省属高校基本科研业务费专项资金资助项目(2017RCJH12)
    作者简介:

    刘相满(1990–),男,山东莒县人,在读硕士,从事粒子和射线探测器技术研究;E-mail:liuxiangman_star@163.com

    通讯作者: 唐述文,E-mail:tangsw@impcas.ac.cn刘伍丰,E-mail:lwf@haut.edu.cn
  • 中图分类号: TL812+.1

摘要: 研究高灵敏度的新型康普顿望远镜对于中能区空间$\gamma $射线探测具有重要的科学意义。量能器作为康普顿望远镜的重要组成部分,应具有优异的能量分辨率和位置分辨率。为此,设计了一种基于硅光电倍增管(SiPM)双端读出的CsI(Tl)$\gamma $射线探测器作为康普顿望远镜量能器的基本探测单元。同时,对于使用不同包装材料(Teflon、Tyvek和ESR)和不同晶体尺寸(5 mm×5 mm×60 mm、5 mm×5 mm×80 mm和5 mm× 5 mm×100 mm)的探测器进行了研究测试。测试结果表明,这三种包装材料对能量分辨率的影响不明显,但对光衰减长度和位置分辨率有较大影响,且二者表现出明显的相关性,即光衰减长度越短,探测器的位置分辨率越好;对于使用不同晶体尺寸的三种探测器,其性能并没有表现出显著的差异。经综合考虑,选用ESR包装的5 mm×5 mm×80 mm的CsI(Tl)晶体探测器,可以满足新型康普顿望远镜对量能器的性能要求,其能量分辨率可达5.2%,位置分辨率约为5.2 mm。

English Abstract

刘相满, 唐述文, 刘伍丰, 孙志宇, 余玉洪, 王伟, 陈若富, 陈俊岭, 张永杰, 方芳, 闫铎, 王世陶, 章学恒, 陆建伟, 周冰倩. 基于SiPM双端读出的 γ射线探测器研究[J]. 原子核物理评论. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC03
引用本文: 刘相满, 唐述文, 刘伍丰, 孙志宇, 余玉洪, 王伟, 陈若富, 陈俊岭, 张永杰, 方芳, 闫铎, 王世陶, 章学恒, 陆建伟, 周冰倩. 基于SiPM双端读出的 γ射线探测器研究[J]. 原子核物理评论. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC03
Xiangman LIU, Shuwen TANG, Wufeng LIU, Zhiyu SUN, Yuhong YU, Wei WANG, Ruofu CHEN, Junling CHEN, Yongjie ZHANG, Fang FANG, Duo YAN, Shitao WANG, Xueheng ZHANG, Jianwei LU, Bingqian ZHOU. Study of the $\gamma $-Ray Detector of Dual-ended Readout Based on SiPM[J]. Nuclear Physics Review. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC03
Citation: Xiangman LIU, Shuwen TANG, Wufeng LIU, Zhiyu SUN, Yuhong YU, Wei WANG, Ruofu CHEN, Junling CHEN, Yongjie ZHANG, Fang FANG, Duo YAN, Shitao WANG, Xueheng ZHANG, Jianwei LU, Bingqian ZHOU. Study of the $\gamma $-Ray Detector of Dual-ended Readout Based on SiPM[J]. Nuclear Physics Review. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC03
    • $\gamma $射线是一种不带电且穿透性极强的电磁波,当它在宇宙中传播时,不会受到磁场的影响,传播方向几乎不会发生改变,并且传播距离非常远。因此,$\gamma $射线可以携带宇宙深处的一些重要的原始信息,通过探测宇宙$\gamma $射线,可以研究黑洞及其起源和演化、脉冲星的辐射起源、物质特别是元素的起源、宇宙线起源、反物质及暗物质湮灭过程等科学问题[1-2]。目前,中能段(200 keV~50 MeV)$\gamma $射线探测器不管是在数量上,还是探测灵敏度上都远远落后于低(<200 keV)、高(>50 MeV)能区[3],具体表现为:国际上只发射过一个以中能区为主要观测能区的$\gamma $射线探测卫星—COMPTEL,且已于2000年退役[4-5],并且其探测灵敏度与低、高能区相比,差了3~4个数量级[3]。此外,发射在轨卫星是探测空间$\gamma $射线的最佳方式,而康普顿望远镜被公认为最好的中能段$\gamma $射线探测器[5-6],因此,发展及研制新型高灵敏度的康普顿望远镜探测卫星对于开展中能段的$\gamma $射线研究具有非常重要的科学意义。

      根据康普顿散射原理制成的康普顿望远镜主要由径迹探测器(Tracker)和量能器(Calorimeter)两部分组成[7]。径迹探测器主要用来探测$\gamma $射线散射点的位置及反冲电子的径迹与能损,散射$\gamma $光子的能量及散射方向由量能器来探测。为了能得到高能量分辨率和高角度分辨率的入射$\gamma $射线信息,要求组成康普顿望远镜的两部分探测器均应具有良好的能量分辨率与三维位置分辨率。COMPTEL由于其每个部分的探测单元尺寸过大,导致其整体的能量和位置分辨率都比较差,最终导致其灵敏度较低[4]。因此,要求新型康普顿望远镜的灵敏度应至少比COMPTEL好两个数量级。在前期对新型康普顿望远镜的设计与模拟工作中,选用多层双面硅作为径迹探测器(能量和位置分辨率均能保证),长条形CsI(Tl)晶体阵列作为量能器,构建了康普顿望远镜模型,使用国际上专用的康普顿望远镜模拟软件MEGAlib[8]对其进行模拟。模拟结果表明,要满足新型康普顿望远镜的灵敏度要求,望远镜的量能器部分应具有约5%的能量分辨率和约5 mm的三维位置分辨率。为此,本文针对新型康普顿望远镜对量能器的性能要求开展研究,旨在设计一种高能量分辨率和位置灵敏的$\gamma $射线探测器,作为量能器结构中的基本探测单元,为未来新型康普顿望远镜原理样机的研制提供设计参考。

    • 本文设计的探测器结构如图1所示,该探测器主要由探测介质、光电转换器件、包装材料、光学硅脂及其他辅助部分构成。

      图  1  (在线彩图)探测器结构

      由于新型康普顿望远镜需要对高达几十MeV的$\gamma $射线有足够的探测效率,这要求量能器必须有足够的厚度,此外,量能器部分还应具有良好的能量分辨率和三维位置分辨率,因此,拟对量能器采用阵列型设计,选择使用长条型晶体作为探测单元,以保证横向的位置分辨率,而纵向位置分辨率以及能量分辨率则由探测器单元的性能来保证。由于CsI(Tl)晶体具有诸多优点,如:密度大、平均原子序数高、光产额高、机械性良好,易于加工、探测效率高、价格相对低廉、适合大批量生产等,在粒子探测和射线探测方面得到了广泛应用[3, 7, 9-10]。因此,本文选择使用CsI(Tl)晶体作为探测器的探测介质。该晶体由中国科学院近代物理研究所生产加工,尺寸有5 mm×5 mm×60 mm、5 mm×5 mm×80 mm和5 mm×5 mm×100 mm三种规格,在晶体条的两个端面(5 mm×5 mm)做抛光处理。硅光电倍增管(SiPM)作为一种新型的光电转换器件,由于具有时间响应快、体积小、偏置电压低、自身增益大(105~106)、信噪比高、对磁场不敏感及易于制成密闭性好的探测器等突出优点,近些年来成为最热门的光电转换器件[10-13]。本文选择采用SiPM耦合在CsI晶体的两端同时读出荧光信号,该SiPM的型号是日本滨松公司生产的S13360-6050CS。为了提高光子在CsI(Tl)晶体端面与 SiPM 灵敏区域表面之间的传输效率,晶体条的两端面(5 mm×5 mm)与两个SiPM之间通过Eljen Technology公司的EJ-550型光学硅脂完成光学耦合。采用这种晶体两端均耦合光电器件的信号读出方式,不仅可以确定入射$\gamma $射线的能量,而且还可以确定$\gamma $射线与晶体的相互作用位置。在CsI晶体条的外表面紧密包覆一层反射材料以提高闪烁光的收集效率,分别选用了Teflon、Tyvek和ESR作为包装材料进行对比研究。同时,为了减少环境杂散光子对探测器的影响并提供一定的结构支撑,在包装材料以及光电读出器件外还包裹了适量Teflon膜。

    • 利用$\gamma $射线放射源对所设计的探测器进行性能研究,采取如下方案进行测试:长条形CsI(Tl)晶体被均匀的标记出几个照射位置,每两个位置相距10 mm,使用被光阑准直过的137Cs $\gamma $射线放射源对晶体条的每个位置进行照射,通过双端均耦合SiPM的方式收集放射源照射每个位置时的信号,实验中比较测试了相同晶体尺寸不同包装材料和相同包装材料不同晶体尺寸的探测器性能,即对分别使用Teflon、Tyvek、ESR包裹的5 mm×5 mm×80 mm CsI(Tl)晶体和ESR包裹的5 mm×5 mm×60 mm、5 mm×5 mm×80 mm和5 mm×5 mm×100 mm CsI(Tl)晶体探测器进行比较测试。

      除电源外的完整探测器测试系统如图2所示,整个测试系统主要包括五部分:探头部分、$\gamma $射线放射源部分、光阑准直器部分、暗箱及信号读出电子学部分。

      图  2  (在线彩图)探测器测试系统

      探头部分在第2章节中已经给出了详细的介绍,此处不再赘述。实验测试中选用137Cs $\gamma $射线放射源对CsI(Tl)晶体条进行照射,为了保证$\gamma $射线照射晶体条的位置精度,使用尺寸为80 mm×80 mm×50 mm,中心位置留有Ф2 mm孔径的铅质光阑作为放射源的准直器,准直器与放射源完全贴合,可作为整体沿着晶体条方向移动来照射晶体条的不同位置。探测器、准直器和放射源部分均被放入铝合金材质的暗箱里,达到避光和减少环境噪声影响的目的。此外,为了排除温度对探测器及其他部分性能的影响,整个测试过程在恒温的环境下进行。图2也给出了信号读出电子学框图,由晶体两端的SiPM引出的原始信号经过ORTEC公司的成形放大器572A成形并放大后分成两路信号,其中一路双极性信号送入PHILLIPS公司的744实现信号的反向,反向后的信号再进入恒分甄别器CF8000对信号做甄别处理。然后,两端的甄别信号送入ORTEC公司的CO4020符合插件进行符合,得到的符合信号送入CAEN公司的12位模拟-数字转换器(ADC)V785N中,作为ADC的门信号。572A引出的另一路单极性信号直接送入ADC的测量通道进行幅度测量。最后的数据获取采用VME系统来完成。

    • $\gamma $射线入射到晶体中,会以产生闪烁光的形式沉积能量,闪烁光在晶体中传播时遵循指数形式衰减[14]

      $$N(x) = {N_0}{{\rm{e}}^{-x/\lambda }},$$ (1)

      其中:λ表示闪烁光的衰减长度;x为光传播的距离;N0表示$\gamma $射线与晶体发生相互作用时产生的光子数;N(x)表示闪烁光传播x距离后的光子数。根据式(1),可以变化$\gamma $源照射晶体条的不同位置来研究探测器的性能。

      设CsI(Tl)晶体条的长度为L$\gamma $射线与晶体的相互作用位置距晶体条中心位置(中心位置为x=0)为x,产生的总光子数为N0,闪烁光传播到晶体条两端的光子数分别为N1N2,SiPM1和SiPM2测得的信号幅度分别为E1E2,如图3所示。可得到:

      图  3  (在线彩图)探测器原理

      $${N_1} = {N_0}{{\rm{e}}^{ - \frac{{L/2 + x}}{\lambda }}},$$ (2)
      $${N_2} = {N_0}{{\rm{e}}^{ - \frac{{L/2 - x}}{\lambda }}}{\text{。}}$$ (3)

      联立式(2)和式(3)得:

      $${N_0} = {{\rm{e}}^{\frac{L}{{2\lambda }}}}\sqrt {{N_1}{N_2}}{\text{。}} $$ (4)

      由于N1N2分别与E1E2成正比,则通过双端SiPM测得的信号幅度可以确定入射$\gamma $射线的总能量:

      $${E_\gamma } = p\sqrt {{E_1}{E_2}}, $$ (5)

      其中p为常数。

      通过双端SiPM测得的幅度信息E1E2来构建如下的比值关系[15-17]

      $$R = \frac{{{E_1}}}{{{E_1} + k{E_2}}},$$ (6)

      式中:k为常数,用来平衡两个SiPM的增益,即k应满足当放射源照射晶体条的中心位置时,k=E1/E2。由文献[15-17]可知,R与放射源实际照射晶体条的位置x成线性关系:

      $$R = qx + b,$$ (7)

      其中qb为常数。因此,利用这种方式可以得到放射源照射晶体条的实际位置和位置分辨率。

    • 利用式(5),可得到分别使用Teflon、Tyvek和ESR包裹的5 mm×5 mm×80 mm CsI(Tl)晶体探测器的总能谱。图4为放射源照射每个探测器的中心位置时的总能谱。从图中可以看出,三个探测器得到的能谱基本相同,662 keV的全能峰清晰,且都明显地测到了32 keV的X射线峰。

      图  4  (在线彩图)不同包装材料的探测器中心照射位置的总能谱

      当放射源照射三种包装材料下的探测器其他位置时,同样也可以得到每个位置所对应的能谱。对能谱中的662 keV峰进行高斯拟合,可以得到每个照射位置下的探测器半高全宽(FWHM)能量分辨率,如图5所示。可以看出,对于同一探测器不同照射位置时所对应的能量分辨率变化不大。此外,对于使用三种不同包装材料的探测器,每个位置对应的能量分辨率差别也不明显。表1给出了分别使用Teflon、Tyvek和ESR作为包装材料时,探测器七个位置的平均能量分辨率。数据表明,采用ESR包装的能量分辨率最好,Tyvek次之,Teflon最差,但三种包装材料下的差别并不显著。

      表 1  不同包装材料下,探测器的平均能量分辨率、平均位置分辨率和平均光衰减长度

      包装材料能量分辨率
      (FWHM)/%
      位置分辨率
      (FWHM)/mm
      光衰减长度/
      mm
      Teflon5.63.2 99.8
      Tyvek 5.4 4.4 142.4
      ESR 5.2 5.2 210.3

      图  5  (在线彩图)使用不同包装材料时,探测器的能量分辨率与照射位置的关系

      根据式(6),可得出每个照射位置对应的R值,如图6中的(a)、(c)和(e)分别展示了三种包装材料的探测器七个照射位置的R谱。对每个位置的R谱进行高斯拟合,可得到峰位和FWHM。将得到的峰位与实际照射位置组成数据点,FWHM作为误差棒,并对数据点进行拟合,可得到图6中的(b)、(d)和(f),从图中可以看出三种情况下线性均非常好。根据线性拟合结果以及式(7),可以计算得到$\gamma $射线与探测器的实际作用位置及探测器的位置分辨率。

      图  6  (在线彩图)不同包装材料的探测器七个照射位置的R谱(a,c,e),R值与实际照射位置的关系(b,d,f)

      图7给出了使用三种包装材料时,探测器每个照射位置对应的位置分辨率(FWHM)。从图中可以看出,对于同一探测器,七个不同照射位置所对应的位置分辨率差别并不大,但不同包装材料下的晶体探测器,每个照射位置所对应的位置分辨率差别明显。对探测器七个位置的位置分辨率求平均,可得到探测器的平均位置分辨率,即Teflon、Tyvek和ESR分别包装的晶体探测器的平均位置分辨分别为:3.8, 4.8和5.6 mm。此外,扣除准直器2 mm孔径的影响,可得到探测器的固有位置分辨率,将结果列入表1中。可以看出分别使用上述三种包装材料下的探测器,位置分辨率有较大差别。

      图  7  (在线彩图)使用不同包装材料时,探测器的位置分辨率与照射位置的关系

      不同包装材料的探测器所得到的单端能谱和总能谱中662 keV峰位随放射源照射位置的改变而变化的曲线如图8所示。图中的k即式(6)中的k参量,用来平衡探测器两端的增益。当改变放射源的照射位置时,单端能谱中的峰位会呈现出明显的单调变化,这表明闪烁光在晶体中衰减较明显。但利用式(5)计算得到的总能谱中的662 keV峰位几乎不会发生改变,这也验证了利用双端读出方式测能量的方法是稳定的,与位置无关。利用式(2)及式(3),拟合两端能谱中662 keV峰位随照射位置变化的曲线,可分别得到两端测得的闪烁光在CsI(Tl)晶体中的衰减长度,对二者进行平均进而得到平均光衰减长度。表1中给出了CsI(Tl)晶体分别在三种包装材料下的平均光衰减长度。可以看出,包装材料对探测器的光衰减长度影响较大。此外,使用三种不同包装材料时,探测器的位置分辨率和光衰减长度之间表现出明显的相关性,即光衰减长度越短,探测器的位置分辨率越好。其中,使用Teflon包装时位置分辨率最佳,但光衰减长度明显变短,这意味着对低能$\gamma $射线的探测效率可能会降低。考虑到使用ESR时位置分辨率已经能够达到指标的要求,我们选用ESR作为包装材料,这样能够提高对低能$\gamma $射线的探测效率。

      图  8  (在线彩图)使用不同包装材料时,探测器的单端能谱及总能谱的662 keV峰位随照射位置的变化曲线

      从以上的测试结果可以看出,包装材料对晶体探测器的性能有一定的影响,这主要是由于不同包装材料对光的反射方式不同所造成的。当闪烁光在晶体中传播时,除了在晶体自身表面反射外,还夹杂着在反射材料上的漫反射或镜面反射(取决于包装材料)。Teflon和Tyvek均为漫反射材料,而ESR为镜面反射材料。当放射源照射晶体的某个位置时,距离照射位置较近的一端会收集到较多的光子,进而信号幅度会相对较大,最终反映到单端所得能谱中662 keV的峰位道数上。由于镜面反射和漫反射的反射方式不同,因此,包装漫反射材料的晶体相比于包装镜面反射材料的晶体来说,会出现距离照射位置较近一端所得能谱中662 keV的峰位道数与距离照射位置较远一端所得能谱中662 keV的峰位道数差别更加明显的情况,这便使包装漫反射材料晶体比包装镜面反射材料晶体的光衰减长度要短。如图8所示,单端能谱中662 keV峰位道数随放射源照射位置变化而变化的明显程度符合上述分析。由于不同的反射方式对总能谱中662 keV的峰位影响不大,因此,图8中的三角形数据点的纵坐标值差别并不明显,此峰位能够反应出探测器对光的收集程度,光收集是影响探测器能量分辨率的一个重要因素。由于总能谱中662 keV的峰位变化不大,使得三种包装材料对探测器能量分辨率的影响也不显著,这就可以解释为什么三种不同包装的探测器能量分辨率差别不大。此外,对于探测器的位置分辨率,其主要受到光衰减长度和能量分辨率的影响。位置分辨率可以用σx =σR/q来表示,其中q为式(7)中的斜率,主要由光衰减长度决定,σR与能量分辨有关,是通过高斯拟合R谱后所得到的FWHM。由于三种包装下的探测器能量分辨率相差不大,使得R谱的宽度差别并不显著(见图6的(a)、(c)和(e)),而光衰减长度差别明显,使得R谱的峰位差别较大(见图6的(a)、(c)和(e)),进而使得q值差别较大(见图6的(b)、(d)和(f)),这就使得三种包装材料下的探测器位置分辨率有较明显差别。

    • CsI(Tl)晶体条的尺寸分别为5 mm×5 mm×60 mm、5 mm×5 mm×80 mm和5 mm×5 mm×100 mm,均使用ESR作为包装材料,可构建三个$\gamma $射线探测器。使用与3.3.1节相同的方法可以得到每个探测器在不同位置的能量分辨率和位置分辨率,如图9图10所示。从图中可以看出,三种尺寸的晶体的测试结果具有较好的一致性,在不同位置下的能量分辨率,均呈现出中间较好两端略差的趋势,而位置分辨率均呈现出中间较差两端略好的趋势。对不同位置下的测试结果求平均,可以得到探测器的平均能量分辨率、平均位置分辨率和平均光衰减长度,见表2。可以看出,三种晶体尺寸的探测器,平均能量分辨率、平均位置分辨率以及平均光衰减长度均没有显著差异。

      表 2  不同晶体尺寸探测器的平均能量分辨率、平均位置分辨率和平均光衰减长度

      晶体尺寸/
      mm×mm×mm
      能量分辨率
      (FWHM)/%
      位置分辨率
      (FWHM)/mm
      光衰减长度/
      mm
      5×5×1005.45.2192.5
      5×5×80 5.2 5.2 210.2
      5×5×60 5.0 5.0 213.4

      图  9  (在线彩图)使用不同晶体尺寸时,探测器的能量分辨率与照射位置的关系

      图  10  (在线彩图)使用不同晶体尺寸时,探测器的位置分辨率与照射位置的关系

    • 本文针对新型康普顿望远镜对量能器的性能要求,设计了一种基于SiPM双端读出的CsI(Tl) $\gamma $射线探测器,作为量能器的基本探测单元。利用137Cs $\gamma $射线放射源,分别对采用Teflon、Tyvek和ESR三种不同包装材料的探测器进行了研究。测试结果表明,三种包装材料对探测器能量分辨率的影响并不明显,使用ESR时最佳为5.2%,使用Teflon时最差为5.6%,但对位置分辨率和光衰减长度有较大影响,且光衰减长度和位置分辨率表现出明显的相关性,光衰减长度越短,探测器的位置分辨率越好。使用ESR包装时位置分辨率最差为5.2 mm,光衰减长度为210.3 mm,而使用Teflon包装时位置分辨率最好可达3.2 mm,但光衰减长度只有99.8 mm。考虑到采用ESR包装时其位置分辨率已经能够满足指标的要求,从提高对低能$\gamma $射线的探测效率的角度出发,认为具有更大光衰减长度的ESR,更适合作为康普顿望远镜量能器的包装材料。此外,对于同样采用ESR包装时,晶体尺寸分别为5 mm×5 mm×60 mm、5 mm×5 mm×80 mm以及5 mm×5 mm×100 mm的情况进行了研究,其能量分辨率、位置分辨率以及光衰减长度等性能并没有表现出显著的差异。但是,从对更高能量$\gamma $射线的探测效率以及探测器重量之间的平衡关系考虑,可以选择5 mm×5 mm×80 mm的CsI(Tl)晶体探测器作为量能器的探测单元。

      本文的工作可以作为新型康普顿望远镜量能器的关键技术研究,为量能器的设计提供参考依据。但由于实验室的$\gamma $射线源能量较低,测试覆盖范围有一定的局限性,未来还需要考虑进行更高能量的测试,以验证该探测器是否能在全部能量范围内均能满足指标要求。此外,由于SiPM器件具有一定的温度敏感性,其增益会随着温度变化而变化,对该$\gamma $射线探测器进行详细的温度性能研究,也是下一步需要开展的内容。

参考文献 (17)

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