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带电粒子穿过TPC,电离工作气体产生电子-离子对。电子在电场驱动下向THGEM方向漂移,并在穿过THGEM微孔时发生雪崩放大,雪崩电子进入收集区被读出电极收集产生信号。在电子的漂移、雪崩等过程中,TPC工作气体的特性、THGEM的增益等会影响探测器性能[13],因此前期模拟优化尤为重要。我们采用Garfield++[14]模拟电子在工作气体中的特性。电子在Ar+iC4H10中的漂移速度模拟结果如图2(a)所示。在TPC中,希望电子漂移速度受约化场强的影响较小,这样即使电场出现轻微波动,漂移速度也不会变化剧烈。Ar(95%)+iC4H10(5%)是一种合适的工作气体;当漂移区的电场强度为200 V/(cm·atm)时,电子的漂移速度接近饱和,约为4.2 cm/μs;而iC4H10比例更大,则需要更高的电场才能达到饱和速度。同时,采用COMSOL[15]和Garfield++[14]模拟电子在工作气体中从产生到收集的整个过程,给出THGEM合适的电压配置的参考。模拟结果如图2(b)所示,雪崩增益随THGEM膜压差的增大而指数增加;其中,Ar(95%)+iC4H10(5%)气体在较低的电压下就能实现高雪崩增益;在双层THGEM工作时,单层电压不需要加很高就可以实现高增益,有效避免打火等情况发生。
考虑TPC是一个不规则的形状,且对电场均匀性要求高,需要设计专用场笼。场笼电极采用印刷电路板工艺,因其便于加工成不同的形状。然后利用COMSOL计算场笼的电场,确定场笼设计:场笼采用双面敷铜的PCB制作,内外电极条的条宽均是1.5 mm,条间隙为0.5 mm,电极条中心的周期为2 mm;内外电极是交错排布的镜像结构。在COMSOL内设置参考线提取电场分布。参考线平行于阴极板,位于场笼中间位置,分别统计参考线上距离内场笼边缘2, 5, 10 mm之内的电场强度。计算结果显示,距离场笼边缘2 mm处的电场强度的不均匀性约为2‰,距离场笼5 mm处的电场强度的不均匀性能够达到0.1‰。靠近边缘5 mm之内的电场有微小畸变,对于20~150 MeV散射的t,会在5 mm的工作气体中损失约5~30 keV能量,约为在TPC中总能量沉积的2.5%,可以在数据处理时修正或舍弃;场笼内其余区域的电场畸变很小,可以认为是有效漂移场区。若将距离场笼5 mm范围内的电场视为畸变电场,畸变场区约占5%,均匀场区约占95%。
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基于Geant4[16]程序,我们开发了一套蒙特卡罗模拟软件包来确定探测系统的结构及运动学。利用Geant4构建的探测器系统如图3(a)所示,中心蓝色圆柱是封装3个大气压3He气体的不锈钢腔体(1个标准大气压等于101.325 kPa)。重离子束穿过3He气体后的束斑直径约为30~40 mm,故气体靶半径设置为24.8 mm,不锈钢壁厚为0.2 mm。中间黄色半圆柱是TPC,主要包括场笼和工作气体,如图3(b)所示。TPC内半径为25 mm,外半径为197 mm。场笼结构中间为厚度0.66 mm的FR4基材,基材两侧的覆铜厚度均为0.02 mm。场笼之内填充1个大气压的Ar(95%)+C4H10(5%)气体。最外层为CsI(Tl)闪烁体阵列,红色部分为CsI(Tl)晶体,厚度20 mm,长200 mm;表面白色部分为0.135 mm厚的Teflon反射层。
首先,我们进行“快模拟”,直接从靶“体积”(Volume)中生成t以及p、d、3He及α粒子等产物,以考察探测系统能探测的能量范围以及粒子鉴别能力。将碰撞视为弹性散射过程,t粒子遵循图1(b)中的散射能量和角度的相关性。为了简化模拟过程,假设p、d、3He及α粒子等产物粒子的能量-角度关系与t相同。将TPC工作气体和CsI(Tl)晶体指定为“灵敏探测器”(Sensitive detector),分别提取带电粒子在其中的能量沉积。假设TPC和闪烁体的典型能量分辨率分别为10%和8%,模拟的ΔE-E分布如图3(c)所示,t和其他副产物可以被清楚地区分。在这种探测器设计下,可探测到的t最大能量约为130 MeV。t的初始动能和在3He气体、不锈钢腔体以及内层场笼中的能量沉积之和的关系如图3(d)所示,t克服靶的自吸收且穿出不锈钢侧壁进入TPC,需要20 MeV的能量;出射t的能量越高,在探测器死区损耗的能量越小。因此,该探测器设计适用于动能约为20~130 MeV的t,对应的散射角约为76°~86°。
在确定了探测系统的设计后,为了考察重离子打靶的反应本底,我们模拟了500 MeV/nucleon 17C束流轰击3He气体靶的过程。Geant4的物理过程采用FTFP_BERT_ATL物理列表。17C束流沿z方向,并以z轴为中心、半径20 mm的圆面分布入射到3He气体靶中。Geant4的模拟并不能细致地给出电荷交换反应的截面,特别是涉及到反应机制的自旋-同位旋激发的过程,而是将反应视作弹性散射或非弹性散射给出重离子与靶核碰撞产生t以及其他副产物粒子的统计性描述。根据模拟重建的17C-3He碰撞产物的ΔE-E分布曲线图(见图4),在76°~86°的出射角范围内,可以清楚地区分出各种带电粒子。考虑束流强度为106 pps,模拟给出的产物粒子的计数率如表1所列。产量最大的是质子,而弹性散射的产物3He则相当小。因此,我们认为3He极有可能被500 MeV/nucleon的重离子束打碎,从而导致质子和氘核计数占主导地位。尽管与质子和氘核相比,t的产额较小,每秒约有32个事例,但它仍然能够被有效测量和甄别。探测器设计的合理性得到了验证。同时,尽管碰撞产生的总事件数较高,但是探测器实际上接受的有效计数率约为1 000 pps,对于探测器和电子学的响应要求不高。
表 1 Geant4模拟的带电粒子计数率
粒子种类 p d t 3He α 总计数率/s−1 15 723 2 689 1 211 244 1 688 有效计数率/s−1 1 107 206 32 6 14 注:总计数率为所有散射角下产生的事例;有效计数率为散射角76°~86°、且被探测系统测到的事例。
Development of Detection System for (3He, t) Charge Exchange Reaction Experiment in Inverse Kinematics
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摘要: 中能区电荷交换反应可以从自旋-同位旋激发的角度研究原子核复杂结构。利用中国科学院近代物理研究所的放射性束流线,利用逆运动学方法进行电荷交换反应实验,可以将研究的对象核素拓展至丰中子核乃至不稳定核。基于此,设计了用于电荷交换反应实验的探测器系统,该系统主要包括了3He气体靶、TPC和CsI(Tl)阵列,其中TPC和CsI(Tl)阵列构成ΔE-E系统。利用Geant4、Garfield++等模拟软件,优化了TPC的工作条件,确定了实验研究的运动学区间和探测器的基本设计,考察了探测系统的粒子鉴别能力。基于模拟优化,搭建了探测系统,并利用激光测试了TPC的位置分辨,在读出电极平面,位置分辨约为422 μm;在电子漂移方向,位置分辨约为681 μm。TPC的性能足以支撑对核反应次级粒子的径迹重建,尤其能够实现较高的散射角分辨。Abstract: Charge exchange reactions with the intermediate energy can be used to study the complex structure of atomic nuclei from the respect of spin-isospin excitation. By utilizing the radioactive beam line at the Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, charge exchange reaction experiments in inverse kinematics can expand the target nuclides to be studied to neutron-rich nuclei and even unstable nuclei. Based on this, a detector system for charge exchange reaction experiments has been designed, which mainly consists of a 3He gas target, TPC and CsI(Tl) arrays, where the TPC and CsI(Tl) arrays form a ΔE-E system. Using simulation software such as Geant4 and Garfield++, the operating conditions of the TPC were optimized, the kinematic intervals and the basic design of the detector for the experimental study were determined, and the particle discrimination ability of the detection system was investigated. Based on the simulation, the detection system was built and the spatial resolution of the TPC was measured by using the UV laser. On the readout electrode plane, the resolution is about 422 μm. And the resolution is about 681 μm in the drift direction. The performance of the TPC is sufficient to support the track reconstruction of the secondary particles of the nuclear reaction, and in particular, it is able to achieve a high resolution of the scattering angle.
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Key words:
- detection system /
- Geant4 /
- simulation /
- charge exchange reaction
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表 1 Geant4模拟的带电粒子计数率
粒子种类 p d t 3He α 总计数率/s−1 15 723 2 689 1 211 244 1 688 有效计数率/s−1 1 107 206 32 6 14 注:总计数率为所有散射角下产生的事例;有效计数率为散射角76°~86°、且被探测系统测到的事例。 -
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