新型望远镜带电粒子探测系统结构设计与理论模拟

为了在兰州重离子加速器国家实验室(HIRFL)的放射性束流线(RIBLL1)上开展基于完全运动学测量的远离β稳定线奇异核反应机制的研究,需研制一套由多个独立的望远镜系统(探测模块)组成的带电粒子探测阵列。每个探测模块包含1块16×16的厚65μm的双面硅条探测器、1块4×4的厚1 000μm的像素硅探测器和由雪崩光二极管(APD)读出的4×4CsI(Tl)阵列探测器。该探测阵列可实现大的能量测量范围、高能量分辨率和位置分辨,同时具备大立体角覆盖和粒子关联测量的能力。通过Geant4探测器模拟软件对单个探测模块进行模拟,结合对探测模块各部分的实验测试,给出了探测模块的设计方案和整体性能指标。     

用于热核同位旋效应研究的高质量分辨望远镜探测器

描述了一个用于热核同位旋效应研究的高质量分辨带电粒子望远镜探测器。望远镜由三叠层探测器组成。其中前两片是全耗尽硅半导体△Ｅ探测器，后一片是锂漂移硅探测器。其厚度分别为：３５０、５００、３５００μｍ，此探测器的主要特点是：具有高能量分辨、高质量分辨、大能量范围，可对直到硫的粒子进行同位素鉴别，能较好地用于热核同位旋效应研究。     

批量塑闪单元条测试技术的研究

寻找暗物质粒子是目前最有影响力的前沿课题之一,广泛受到世界各国重视。我国启动了暗物质粒子探测卫星(Dark Matter Particles Explorer,DAMPE)先导专项,致力研究这一科学问题。暗物质粒子探测卫星有效载荷由塑闪阵列探测器(Plastic Scintillator Detector Array,PSD)、硅阵列探测器、BGO(Bi2O3-Ge O2)量能器以及中子探测器组成,用于探测5 Ge V-10 Te V高能电子、γ及重离子能谱。中国科学院近代物理研究所承担了塑闪阵列探测器的研制工作,塑闪阵列探测器由82根塑闪单元模块采用横竖交叉结构组成,主要协助BGO量能器区分γ事件和电子事件,并作为硅阵列探测器的备份,探测Z=1-20的重离子事件。由于塑闪单元条模块存在较大的差异,所以搭建了一套具有较高测试效率的塑闪单元条批量测试平台,并对塑闪单元条进行宇宙线测试,得到其基本性能参数,如光衰减曲线、光衰减长度、相对光产额、能量分辨率以及探测效率。这为后续筛选出一致性较好并能满足功能需求的82根单元条提供了依据。     

用于热核同位旋效应研究的BGO探测器阵列

报道了35MeV/u 36Ar 112,124Sn反应中用于中等质量碎片(IMF)(3≤Z≤5)关联函数测量的△E(Si) E(BGO)望远镜阵列的测试结果.实验表明该探测器阵列的几何安排有利于提高小角关联测量中的动量分辨,可用于IMF发射时标的同位旋依赖性的研究.     

ΔE-E望远镜在~9C碎裂反应上的应用

为研究9 C的晕核结构,一套ΔE-E望远镜探测器应用在兰州放射性次级束流线(RIBLL)上进行的9 C碎裂反应实验中,用来测量反应中产生的碎片。为解决ΔE-E望远镜中硅条的干扰问题及硅条和CsI的能量刻度,利用硅条的感应信号对重离子在硅条上产生的饱和信号进行能量刻度,并通过模拟程序与事例得到的刻度点对CsI(Tl)晶体进行能量刻度。同时使用在硅条和CsI(Tl)晶体上的位置信息对反应物径迹进行重建,从而得到同一离子在硅条与CsI(Tl)晶体上信号的符合,并得到了最终的有效物理事件。     

基于能量-速度关联技术的裂变产物质量分布测量方法研究

采用能量E-速度v关联技术测量裂变产物碎片的动能和飞行速度能精确测定裂变产物核的质量。本工作主要研究能量-速度关联技术的可行性并解决相关关键技术。实验测量系统由飞行时间测量单元、能量探测器和真空靶室系统组成。实验中用1对微通道板探测器测量粒子飞行时间来确定粒子速度,金硅面垒探测器测量粒子能量。对于~(241) Am放射源5.48 MeVα粒子,飞行时间测量系统时间分辨(FWHM)为186ps,金硅面垒探测器能量分辨(FWHM)为44keV。实验完成了~(252) Cf自发裂变源产物质量分布试测量。初步实验结果显示,裂变产物质量分布在110amu(amu为原子质量单位)的位置时,其质量分辨为1.6amu。     

BaF2探测器测量α粒子的时间分辨随温度变化实验研究

本工作对用于测量α粒子的BaF₂探测器的时间分辨随温度变化情况进行了实验研究。实验选用退激γ射线能量较高的²³⁷Npα源,利用α粒子与退激γ射线的时间关联性得到时间谱,在不改变任何条件的情况下对BaF₂晶体加热,加热到设定温度后保持恒温,在BaF₂晶体达到热平衡后开始测量时间谱,由该时间谱上读出的半高宽与标准偏差的线性关系得出α粒子的时间分辨随温度变化的情况。测量结果显示,时间分辨随温度变化在目前实验条件下较为明显,这为未来快时间分辨α粒子探测器的选择和优化使用提供了依据。     

空间辐射传能线密度谱仪初步设计

正本工作对空间辐射传能线密度(LET)谱测量技术进行研究,初步设计了空间辐射LET谱仪。空间辐射LET谱仪整体装置(其结构如图1所示)为望远镜结构,由3个二维位置灵敏硅微条探测器(DSSD)组成,入射粒子经过DSSD时,由第1个和第2个DSSD符合输出的信号或第2个和第3个符合输出的信号触发探测器,并利用符合信号对粒子的入射角度进行判断。记录入射粒子在第2个DSSD中的能量沉积。最终通过粒子在第2个DSSD中的能量损失及路径确     

重离子飞行时间谱仪

为配合HIRFL进行重离子核物理研究,我们建造了集质量、电荷鉴别及能量为一体的重离子飞行时间谱仪实验终端,该终端主要由一φ600mm的靶室,长度为0.5～3m(每0.5m可调)的飞行管道以及探测系统组成。质量鉴别由TOF方法来完成,所用的探测器组合时间分辨,对~(252)Cf源α粒子为200ps。利用ΔE-E探测器望远镜或BCS探测器进行产物的电荷鉴别。     

高能X射线实时成像技术及固体线性阵列探测器研究

该项目主要研究高阻和低阻硅光二极管阵列探测器的设计及制备工艺,闪烁晶体阵列及隔离层、光反射层的加工装配,两种阵列之间的耦合,线性阵列探测器封装技术,线性阵列探测器性能测试,阵列探测器信号处理及线性扫描二维像的数据获取和图像处理技术,空间分辨和密度分辨率的影响因素等,从而掌握固体线性阵列探测器这一中、高能X射线实时成像和CT成像的核心技术,研制成功固体线性阵列探测器成像单元,掌握线性扫描二维成像技术。     

8×8单元CsI(Tl)探测阵列研制

描述了1个8×8单元CsI(Tl)探测阵列的结构和工作原理。探测阵列的每个单元是由1块前表面21 mm×21 mm、后表面23.1 mm×23.1 mm、高50 mm的CsI(Tl)棱台、1块光导和光电倍增管组成。在兰州放射性次级束流线(RIBLL)上对探测阵列进行测试,得到探测阵列对30 MeV质子的能量分辨可达2.7%,对170 MeV7Be可达1.5%,可很好地用于放射性束物理实验中带电粒子的鉴别。     

中能重离子核反应产物测量装置4π带电粒子探测装置

正在研制的４π带电粒子多探测器系统（ＭＵＤＡＬ）＾「１」由２７６个探测器单元组成，每个单元由快、慢塑料闪烁体、碘化绝晶体、硅半导体探测器所组成的望远镜构成。总立体角覆盖约全空间的８５％－９５％，以及有一个很低的能量探测阈。整个探测器系统轴向对称排列，工作在真空中。该探测器系统可以鉴别氢、氦的同位素和Ｚ≤１８的元素，以及大的能量测量动态范围。     

用于卫星探测X、γ射线的大灵敏面积CdZnTe探测器的研发

CdZnTe(CZT)探测器不需要低温制冷就可在30～600keV较宽的能量范围内得到较好的空间和能量分辨,已成为研究宇宙空间X、γ射线场重要的探测器。本工作研究将4个甄别级10mm×10mm×5mmCZT平面探测器进行改制,并将其并联拼接成20mm×20mm×5mm较大面积的CZT探测器。经测试,大面积CZT探测器对¹²⁵I、²⁴¹Am、⁵⁷Co、¹³³Ba、¹³⁷Cs具有较好的能量线性响应,对¹³⁷Cs的662keVγ射线有较好的能量分辨。     

惰性气体β-γ符合测量系统探测器能量及分辨率刻度

β-γ符合法是全面禁止核试验条约(CTBT)放射性核素核查中惰性气体氙测量的一种重要方法,探测器能量及分辨率刻度是其首要解决的关键技术。本工作详细介绍了β-γ符合测量系统NaI(Tl)闪烁体和塑料闪烁体探测器能量及分辨率刻度的方法和结果,采用γ放射性核素点源刻度NaI(Tl)γ射线能量及分辨率,利用137Cs661.66keVγ射线康普顿散射电子刻度塑料闪烁体β射线能量及分辨率,并与131Xem内转换电子刻度的β射线能量分辨率结果进行了比较。结果表明:用137Cs康普顿散射电子刻度塑料闪烁体β射线能量是一种简便可行的方法,但用其刻度的β射线分辨率比实际的大。     

A Large Area High Resolution Cosmic Ray Charge Composition Detector

A detector designed to study the charge composition of the primary cosmic radiation in the range Z = 3 to 30 has been flown on balloons during 1969. The flight is part of a program to study the charge composition in the energy range 10 to 105 GeV. The telescope consists of a four fold charge measurement using two plastic scintillators, a Cerenkov detector and a mosaic CsI(Tl) detector. The intrinsic limitations on charge resolution due to statistical fluctuations in energy loss are approached by correcting the pulse heights for geometrical effects. This is accomplished by calibrating the detector response in flight using a spark chamber to determine the particle trajectories.     

Performance Characteristics of BGO Detectors for a Low Cost Preclinical PET Scanner

PETbox is a low-cost benchtop PET scanner dedicated to high throughput preclinical imaging that is currently under development at our institute. This paper presents the design and characterization of the detectors that are used in the PETbox system. In this work, bismuth germanate scintillator was used for the detector, taking advantage of its high stopping power, high photoelectric event fraction, lack of intrinsic background radiation and low cost. The detector block was segmented into a pixelated array consisting of 20 × 44 elements, with a crystal pitch of 2.2 mm and a crystal cross section of 2 mm × 2 mm. The effective area of the array was 44 mm × 96.8 mm. The array was coupled to two Hamamatsu H8500 position sensitive photomultiplier tubes, forming a flat-panel type detector head with a sensitive area large enough to cover the whole body of a typical laboratory mouse. Two such detector heads were constructed and their performance was characterized. For one detector head, the energy resolution ranged from 16.1% to 38.5% full width at half maximum (FWHM), with a mean of 20.1%; for the other detector head, the energy resolution ranged from 15.5% to 42.7% FWHM, with a mean of 19.6%. The intrinsic spatial resolution was measured to range from 1.55 mm to 2.39 mm FWHM along the detector short axis and from 1.48 mm to 2.33 mm FWHM along the detector long axis, with an average of 1.78 mm. Coincidence timing resolution for the detector pair was measured to be 4.1 ns FWHM. These measurement results show that the detectors are suitable for our specific application.     

Phantom experiments on a PSAPD-based compact gamma camera with submillimeter spatial resolution for small animal SPECT

We demonstrate a position sensitive avalanche photodiode (PSAPD) based compact gamma camera for the application of small animal single photon emission computed tomography (SPECT). The silicon PSAPD with a two-dimensional resistive layer and four readout channels is implemented as a gamma ray detector to record the energy and position of radiation events from a radionuclide source. A 2 mm thick monolithic CsI:Tl scintillator is optically coupled to a PSAPD with a 8mm×8mm active area, providing submillimeter intrinsic spatial resolution, high energy resolution (16% full-width half maximum at 140 keV) and high gain. A mouse heart phantom filled with an aqueous solution of 370 MBq (99m)Tc-pertechnetate (140 keV) was imaged using the PSAPD detector module and a tungsten knife-edge pinhole collimator with a 0.5 mm diameter aperture. The PSAPD detector module was cooled with cold nitrogen gas to suppress dark current shot noise. For each projection image of the mouse heart phantom, a rotated diagonal readout algorithm was used to calculate the position of radiation events and correct for pincushion distortion. The reconstructed image of the mouse heart phantom demonstrated reproducible image quality with submillimeter spatial resolution (0.7 mm), showing the feasibility of using the compact PSAPD-based gamma camera for a small animal SPECT system.     

GRASP - Gamma Ray Astronomy with Spectroscopy and Positioning

The GRASP telescope, which is currently under assessment by the European Space Agency as a future space mission, is designed to generate high resolution images of the gamma-ray sky with high sensitivity and fine spectral resolution. The telescope employs a coded aperture mask and the capability to function as a Spectral Imager is achieved by the incorporation of an array of discrete aermanium solid state detectors within the matrix of a larger position sensitive CsI(Tl) gamma-ray detection plane.