第十五届核电子学与探测技术学术年会报 告

基于 LabVIEW的 X 射线探测系统及其在激光康普顿散射实验中的应用

罗 文 & 阎喆 & SLEGS group

中国科学院上海应用物理研究所2010年 7月 17 日

OUTLINE

第一部分 : SLEGS及其样机实验第二部分 : X射线探测系统：用于测量 SLEGS样机实验产生的 X射线及其能谱

系统硬件介绍 ( 包括 Si (Li) 探测器 , 电子学和 DAQ) X-ray探测系统的性能测试 小结第三部分： X射线信号提取及样机实验结果 本底扣除以及 X射线信号提取 SLEGS 样机实验结果 小结第三部分：下一步工作开展：搭建并发展一套 VME电子学及数据获取系统，用于 SLEGS的实验及测量

激光康普顿散射：Laser Compton Scattering (LCS)

Bang!

Laser Compton scattering

Incident electrons Ee

Incident Photons El

Scattered electrons

Scattered photons E

: Electron velocity /cL: Incident angle of laser photon

: Scattered angle of photon

e

cos1cos1

cos1

E

EE

ELl

Ll

22

2

41

4

mcE

EE

l

l

Head-on collision (L=0)

ex. Ee=3.5GeV, =10.6m

E～ 22MeV

1922年，康普顿效应获 诺贝尔奖（ 1927）

a 160MeV Linac at SDUV-FEL

Photo injector

FEL Radiator

160MeV Linac

Injector + linac have been finished

SLEGS 样机实验中激光器和电子加速器的运行模式

实验亮点

采用大角度斜入射模式，摸索通过改变及可调节激光入射角来调制散射光子的峰能量；

通过激光有无时的能谱相减来提取 X射线信号及能谱，上述类似方法也通常用于自旋物理中不守称的精确测量；

激光康普顿散射实验产生的 X射线能谱在国内首次观测。

ns-ns 时间同步

位置重合

低噪比低

在低噪比低的情况下测量并最终提取 X射线及其能谱

难点

Crystal area (mm2) 30(Φ6)

Crystal thickness (mm) 3.8

Energy resolution at 5.9keV(eV)

184

Thickness of Be windows (μm)

7.5

Negative bias voltage (V) 300~500

Si (Li) 探测器，由所仪器中心自行研制

第二部分： Si (Li) 探测器 , 电子学和数据获取系统

ORTEC电子学

探测器和可远程遥控的小车

图 5.2 水平方向直线拟合

图 5.3 垂直方向直线拟合

附图 5.1 探测器小车结构图附图 5.2 探测器小车实物图

可在水平和垂直方向以 0.1mm的精度调节探测器的位置，并协助 Si(Li)探测器完成对 LCS X射线发散角的测量。

数据采集卡 PCI 6132

采集卡面板 BNC 2110

LabVIEW 数据获取系统Single or multiplier measure

Time or Event

Time gap

Rates; Counts; Passed time;

刻度结果表明该系统 具有较好的能量分辨率 (与同类 ORTEC Si(Li)探测器比较，分辨率略差11.5%。 )。

　能量刻度

　时间刻度　　　　　

DAQ 效率测量

测量时间 ~7 天，整个系统漂移为 2eV 。系统的稳定性好于 0.3‰.

Fig. 1 the 5.9 keV X-rays of 55Fe as a function of measurement sequence.

Fig. 2 the 6.49 keV X-rays of 55Fe as a function of measurement sequence.

系统稳定性及系统漂移

Sample / lab background Count rates (Hz)

Lab background 0.257±0.002

Clay sample 0.259±0.002

Water sample 0.267±0.002

探测器，电子学和数据获取系统的测试

08年，我所辐射安全中心为检测所嘉定园区的放射性水平，尤其是监测是否含有放射性元素125I。抽样并检测泥土和水样品的放射性活度。 测量结果显示，没有明显的证据表明放射性元素 125I等的存在。

小结

X-ray detection system (Si (Li) detector + ORTEC electronics +Lab view procedure + PC)

Detected X-ray range ≤ 60keV

Energy resolution ~180eV at 5.9keV

Time resolution 0.56ns at 63.5ns with 0.5μs TAC range

System drift 2eV at 5.9keV

System stability Better than 3‰

Acquisition efficiency ≥ 80% at 100 Hz.

探测器系统具有图形化显示，较好分辨率、良好稳定性、低花费及性价比高的特点。

此系统 已成功用于两期康普顿散射实验，至今仍在使用！

LCS 本底扣除并提取 LCS X射线

第一步：设置一 ADC门： 40µs，排除除轫致辐射外的绝大部分本底 !

W. Luo, W. Xu , Q. Y. Pan et al., NIM A ( be accepted)

时间路设置阈值： ~150mV

第二步： 利用时间 CUT/门 (宽度为~300ns)扣除部分轫致辐射。信噪比提高 ~2 倍 !

第三步：在激光有无时分别记录事件，并通过两者累积的能谱相减，最终提取产生的 LCS X射线信号

一期实验结果

Signal-to-Noise Ratio=1/406

First term experimental resultX-ray peak 29.1±4.4±2.1keVX-ray width (δ)

7.8±2.8±0.4keV

S/N 1/406Peak photon flux*

523±209 Hz*Normally 100 MeV Linac operates with e-beam charge of 1.0 nC/pulse and repetition of 20 Hz. The measured value is 0.012±0.005 s-1 in first term of LCS experiment at SINAP.W. Luo et al., Rev. of Sci. Instrum, 81, 013304 (2010)

二期实验结果

考虑 1ns 的晃动 , 粉红色的阴影

部分为理论估计值范围

X-ray spectrum (Second term)X-ray peak 31.73±0.23±1.64keVX-ray width (δ) 0.74±0.26±0.03keVS/N 1/780Peak photon flux*

1.7±0.3×103s-1

W. Luo et al., Applied Physics B (in print)

小结

在上海应用物理研究所嘉定园区利用 100MeV 直线加速器和 10MW, 21ns及 200MeV, 8ns的Nd:YAG 激光器分别开展两期激光康普顿散射的实验研究．两期实验都成功实现了 ns-ns 级的激光和相对论电子碰撞，并观察到 30keV 左右的Ｘ射线及能谱．能谱测量在国内尚属首次。

下一步工作方向：搭建并发展一套 VME电子学及数据获取系统，用于 SLEGS的实验及测

量束流诊断和物理实验所需探测器 （ 1 ）束流流强探测器：记录束流的流强，起始时间信息等 （ 2 ）束流剖面探测器：测量束流的束斑大小，强度分布等 （ 3 ）实验探测器：靶室内设置的 Si微条探测器阵列测量带电粒子，靶室外的 NaI， CsI和 HpGe 探测器测量反应中出射的伽玛射线，以及塑料闪烁体探测器构成的条形中子探测器

VME 电子学基于 C/C++ 的数据获取系统

高能 γ探测器的初步调研

NaI(Tl) CsI(Tl) CsI(Na) BGO LYSO PbWO4 BSO密度 (g/cm3) 3.67 4.51 4.51 7.13 7.40 8.3 6.8发光峰 (nm) 410 550 420 480 402 420/425 470衰减时间 (ns) 245 1220 690 300 40 10/30 100发光量 (%) 100 165 88 21 85 0.1/0.3价格 ($/cc) 1cc=3 1.8 1.8 10 40 5

图 3.7 实验探测器布局

表 1 各种闪烁晶体的主要参数

表 2 部分光电倍增管（按倍增极的排列和工作方式不同划分）的基本参数

VME electronics for LEGS (罗文 ,潘强岩 )

Spec. AmpN568B

ADC:V785N

DAQ+PC based

onLinux/XPoperation

system

TDC:

V1290ADelay

CFD

Scaler:SIS3820

Scintillator detector array

Interface: SIS1100-eC

MC

+SIS3104

(160MB

yte/s)

1) 32Ch;2) 250MHz scaler

1) 8Ch2) 40-250Mhz per ch3) (32MS/ch memory)

1) 32 Channel Multi-hit,2) Readout rate: 33 Mb

Note: 32Channel electronics， two SIS3320 and one V785N are used.

Trigger

ADC:SIS3320

ADC:SIS3320

1) 16Ch2) Conversion time: 2.8us /16 ch

1) 16Ch2) Sharping time: 0.2us or 1us

Signal

CFD

Pre-amp.

Pre-amp.

CFD

CFD Delay

Evaluation 2009

ADC:Two SIS3320

Scaler:SIS3820

ADC：SIS3320Connecter:

SIS1100 Connector:SIS3104

LC-LC50/125 um Fibre 5m

VME 机箱6023x632

致 谢

“ 上海激光电子伽玛源（ SLEGS ）的建设及其应用”专题讨论会

2010年 8月 30日，上海召开

SLEGS 初步设计指标： 能量为 sub-MeV 至百MeV连续可调； 通量为 ~105 (photon/s-1) ； 高极化度； 准单色和良好方向性； ps脉冲的时间结构；等等

专题讨论的主要内容本次讨论会的上海激光电子伽玛源（ SLEGS）束线站的

建设和利用射线源可开展的物理及相关应用。具体包括以下几个方面：

• 上海激光电子伽玛源（ SLEGS）束线站的建设；• 射线束在核结构研究中的应用；• 射线束在天体核物理中的应用；• 射线束在高能物理或粒子物理中的应用；• 射线束在应用基础研究方面的应用；• 激光康普顿散射（ LCS）在电子加速器束流的诊断；• 射线束在生命科学，核医学，材料和能源等领域的应

用研究；• 与束有关的其他领域如超快物理等研究；

SLEGS 的相关应用前景调研

SLEGS 在基础研究领域的应用 SLEGS 在工业、医学、国防等领域的应用