BaF2、BGO、NaI、CsI复合晶体探测器高空γ本底水平

D0I:10.13374/i.issm1001-053x.1992.01.033 北京科技大学学报 第14卷第1期 Vol.14No.1 1992年1月 Journal of University of Science and Technololgy Beijing Jan.1992 BaF2、BGO、NaI、CsI复合晶体探测器 高空y本底水平 陈映宣·张南双· J.N.Frasar-Mitchell. 摘要：把4个直径5cm的复合品体探测器(NaI/BaF2,NaI/BGO,NaI/CsI和 NaI/NaI)用气球我至36上m高空，观测了它们的本底水平。无论是在符合或反符合状态工 作，4个复合品体探测器主晶体的积分计数事基本一致。NaI/BGO探测器的计数率微分谱 低于N,I/CsI和NaI/NaI探测器的相应值：NaI/BaF2探测器的符合计数率微分谱低于 NaI/C:I和NaI/NaI,而反符合计数率微分谱不高于NaI/CsI和NaI/Na的相应值。 关德词：复合品作探测器，本底计数串，高空本底水平 The y Background Noise Level of BaF2,BGO CsI [TI]and NaI [TI]Complex Scintillator Detectors in Space Environment Chen Yingxuan'Zhang Shuangnan.J.N.Frasar-Mitchell. ABSTRACT:In the paper designed four complex detectors and observed their background counting rates in balloon space enviroment.The primary crystal is Nal(Tl)scintillator of each complex detector.Its veto crystal is BaF2,BGO, CsI(T1)and NaI (Tl)separately.The results shown that the integral background counting rates of four complex detectors in region of energy 30~350keV at altitu- 1990一12一01收稿 ·物理系(Deparment of Physics) ··中国科学院高能物理所(Institute of High Energy Physics,,Academia Chin2) ···南安普敦大学物理系(Department of Phgsics,.Southampton Universit:,England) 102

第 卷第 ，期 北 京 科 ，， 年 月 技 大 学 学 报 。 ， 、 、 、 复合晶体探测器 高空夕本底水平 陈映宣 ’ 张 南双” 。 。 一 五 … 摘 要 把 个直径 。 的复合晶体探 一 侧 器 ， ， 和 用气球载至 高空 ， 观侧 了它们的本底水平 。 无论是在符 合或反符合抉 态 工 作 ， 个复合晶体探洲器主晶体的积分计数率基本一致 。 探洲器的计数串微分谱 低于 和 探侧器的相应值， 探侧器 的符 合什数率微分 谱 低于 和 ， 而反符合计数率微分谱不高于 和 ， 的相应值 。 关健词 复合晶体探渊器 ， 本底计数率 ， 高空 本底 水平 ， 〔 〕 〔 〕 月 ，’ 夕 佗 几。 刀 夕 ” 夕 二 。 。 一 ” 。 爪 。 ， 犷 了 ” 一 收稿 一 物理系 中国科学院高能物理所 三 亡 ， ，， 垃 呈 南安普孰大学物理系 贝 寥 ， 协 五 典 ， 了 ， ” 容 》 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1992．01．033

de31~36km are near.There is no obvious difference each other on y background noise level in space environment,The differential counting rates of NaI/BGO and NaI/BaF2detectors are lower than Nal/CsI and NaI/NaI detectors. KEY WORDS:complex scintillator detector,background counting rate,y ba- ckgro nd noise level 在硬X射线天文观测中，由于X和y射线背景比被观测X或y射线源的强度高1-2个量级，如 何把背景降至最低限度，从而提高探测器的灵敏度，是X和y射线天文观测中极为重要的问题。 据计算1)，采取各种屏蔽措施后，X望远镜的y本底计数可以降至很低的水平，而其中 由中子引起的本底计数占有相当大的比例。通常，X望远镜中的主闪烁晶体和反符合闪烁晶 体用NaI(Tl)和CsI(TI)构成。字宙中的中子与NaI和CsI中的127I可以产生(n,y)反应 而出现y本底。 近几年出现的BaF2、BGO闪烁体的组成元素与中子的作用截面比I低，对X或y射线的探 测效率较高。为了比较这4种闪烁晶体在高空环境中的本底水平，中英两国合作，构造了4 个复合探测器，并在北京进行了高空实验观测。 1 实验装置 实验装置如图1所示，共有4个复合探测器：NaI(T1)/BaF2、NaI(TI)/BGO、Na (T1)/CsI(T1)、NaI(TI)/Nal(T1)。每个探测器都用50mm×5mm的NaI(Tl)闪 烁体作主晶体，因为它对X和y射线的能量分辨率高：与它们-一对应的反符合晶体(V©to)尺 寸分别为：BaF2(50mm×37mm)、BG0(φ50mm×30mm)、CsI(T)(50mm ×40mm)、NaI(TI)(φ50mm×50mm), 除BGO的质量厚度为21.3g/cm2外，其余均归 1mm Al 3mm Pb 一为18.1g/cm2。每个闪烁晶体都分别用一个 2mm 5n 1mm Cu 光电倍增管单独观测。整个探测器用铝作外壳 为了屏蔽字宙弥漫y和大气y射线，用3mmPb PMT +2mmSn+1mmCu夹层包围晶体，从上半天 来的200keV以下的y射线被屏蔽，显然X射线 -NaI(T1):Primary crystal 星发射的X射线也被屏蔽。从探测器下部进入 Veto Veto crystal 的y射线，能量低于300keV的被反符合晶体 (NaI (T1),CsI(T1), PMT Baf2,BGO) (Veto)吸收，进人内部的带电粒子采用上、 下晶体信号反符合的方式排除。这样在主晶体 中的计数是本底认为计数。 电子学系统表示在图2。每个探测器的信号 经倒相、放大后被展宽，再送至球上微机数据 采集系统，分别记录8个晶体的脉冲大小谱。 主晶体的能量测量范围为30~350keV,Veto 图1复合探测器结构图 晶体为30~8000keV。4个主晶体的输出幅度 Fig.I Schematic diagram of complex detector 完全调成一致，4个Veto晶体的输出幅度也调 103

一 ， 。 、 ， ， ， 夕 在硬 射线 天文 观 测中 ， 由于 和下射线背景 比被观测 或，射线源 的强 度高 一 个量级 ，如 何把 背景 降至最低限 度 ，从而提高探测器 的灵敏 度 ， 是 和 ，射线 夭文观 测 中极 为重要 的问题 。 据 计算 〔 ‘ ’ ， 采取各种 屏蔽 措施后 ， 望远镜 的 本底计数可以降更很低 的 水平 ， 而其中 由 中子 引起的本底 计数占有相 当大 的 比例 。 通常 ， 望远镜 中的 主闪烁 晶体和反符合 闪烁 晶 体 用 和 构成 。 宇宙 中的中子 与 和 中的 ’ 可 以产生 ” ， 下 反应 而 出现夕本底 。 近几 年出现的 、 闪烁 体的组成元素与 中子 的作 用截面 比 低 ， 对 或 射线的探 测效率较 高 。 为了 比较这 种 闪烁 晶体在高空环境中的本底 水平 ， 中英两 国合作 ， 构造 了 个复合探测器 ， 并在北京进行 了高空实验观测 。 实 验 装 置 实验装置如 图 所示 ， 共 有 个 复 合 探 测 器 、 「 、 、 。 每个探测器都 用小 。 的 闪 烁体作主 晶体 ， 因为它对 和 射线的能量分辨率高 与它们一一对应的反符合 晶体 尺 寸分 别 为 小 、 帅 、 小 二 、 小 ， 除 的质量厚度为 。 。 ’ 外 ， 其余 均归 一为 。 ， 。 每 个闪烁 晶体都分别 用 一个 光电倍增管单独观 测 。 整个探 测器 用铝 作外 壳 为了 屏蔽宇宙弥 漫 和大气丫 射 线 ， 用 十 夹层包围晶体 ， 从 上半夭 来 的 以下 的 丫 射线被 屏蔽 ， 显 然 射线 星 发射 的 射线也被 屏 蔽 。 从探测器下部进入 的 夕 射线 ， 能量低于 的被反符合 晶体 吸收 ， 进 人内部的带电粒子采 用上 、 下 晶体信号反符合 的方式排除 。 这 样在主 晶体 中的计数是本底 认为计数 。 电子 学 系统表示在 图 。 每个探测器 的信号 经倒相 、 放大后被展 宽 ， 再送 至球上微机数据 采集 系统 ， 分别记录 个晶体的脉冲 大小谱 。 主晶 体的能量测量范 围 为 一 晶体为 。 个主晶体 的输出幅度 完全调成一致 ， 个 晶体的输 出幅度也调 ’ 自 口 下 勺 广 图 复合探侧器结构 图 上 之

P.V-12V Dutputt p10 CPU+Memory FMT Sanple and hold NeI(TI) Veto PIO 下I0 S10:t和modem 12 od的Computer on DutpuE ADC balloon and ttansmissian system of data. 图2探测器电路和球载微机及数据发送系统 Fig.2 The electronic block diagram 整成一致。各ADC均为256道。逻辑控制设有8种状态：主晶体与Veto晶体信号反符合 (CMode)、符合(CMode)和独立态(/Mode)(即各晶体自身单独计数)。 4个复合探测器等距紧凑排列竖直安放。每个复合探测器都用轻型保温材料包裹，全套 装置安装在一个吊篮架上，用气球载上高空。 在地面通过遥控、遥测系统控制探测器的工作状态，记录球上发回的数据，在微机显示 荧光屏上能监视仪器工作状况并将数据及时存入软盘，以供离线分析。 曾进行了两次高空飞行。第一次是在1986年6月16日上午7：20~10：30。飞行最大高 度达到36.6km。第二次是在1986年9月18日7：00~13：00，飞行高度32km。 2实骏结果 2,1计数率随高度的变化 4个反符合(Veto)晶体在独立状态下自身的计数率随飞行高度的变化曲线表明：各 反符合晶体的最高计数率均在15~20km高度范围。按各个晶体的单位面积质量厚度归一的 计数率的大小依次为：BGO、CsI(TI)、BaF2、NaI(T1),这与它们探测效率的大小顺 序一致。 在反符合状态下各主晶体计数率随高度的变化曲线峰也在15~20km高度范围。 根据R、C、Hay mest2)的测量，高空快中子（能量1-4MeV)、y射线（能量0.47- 350MeV)、带电粒子及0.47MeV以下的软y背景的流强高度曲线的蜂分别位于16.7km、 19,2km、18.3km附近。其结果显示出了高空强y和中子区各种射线的总效应。主晶体的结 果说明，在这样的环境中有相当一部分射线未被屏蔽掉而进人了主晶体。 2,2在符合状态下主晶体的计数率 在35.5~36,6km高度上，工作在符合状态下的各主晶体的积分计数率(cm~2s~)分别为： NaI/BaF2 NaI/BGO NaI/CsI NaI/NaI 0.157±0,0030,183±0,0030,248±0,0030,142±0,003 104

即 一 甲 。 七 二 ’ 日 二〕 口 匕口 目 自口 匕止一 户山洲 劝 赞 飞 肋 卜 。 加 已 亡 日 日 吕 主 。 主 厂 日 图 么 探测器 电路 和球载微机及数据发送 系统 整成一致 。 各 均为 道 。 逻辑控制设 有 种状态 主晶 体 与 。 晶 体 信 号 反 符 合 、 符合 和独立态 即各晶体 自身单独计数 。 个复合探 测器等距紧凑排列竖直安放 。 每个复合探测器都用轻型保温材料 包 裹 ， 全 套 装置安装在一个吊篮架上 ， 用气球载上高空 。 在地面通过遥控 、 遥 测系统控制探测器的工作状态 ， 记录球上发 回 的数据 ， 在微机 显示 荧光屏上能监视仪器工作状况并将数据及时存人软盘 ， 以供离线分析 。 曾进行了两次高空飞 行 。 第一次是在 年 月 日上午 。 飞 行最大高 度达到 。 。 第二 次是在 年 ， 月 日 ， 飞行高度 。 实 验 结 果 计橄率防高度的变化 个反符合 晶体在独立 状态下 自身的计数率随飞 行高 度的变化曲线 表 明 各 反符合晶体的最 高计数率均在 高度范 围 。 按各 个晶体的单位面积质量厚 度 归 一 的 计数率的大小依 次为 、 、 、 ， 这与它们探测效率的大小顺 序一致 。 在反符合状态下各主 晶体计数率随 高度的变化曲线峰也在 一 呱 高度范围 。 根据 、 、 〔 ’ 的测量 ， 高空快 中 子 能 量 一 、 梦 射 线 能 量。 。 一 、 带电粒子 及 。 。 以下 的软夕 背景 的流强高度曲线 的峰 分 别 位 于 。 、 、 。 附近 。 其结果显示 出了高空强下 和 中子 区各种射线 的总效应 。 主 晶体 的结 果说明 ， 在这 样的环境中有相当一部分射线未被屏蔽掉而进 入 了主 晶体 。 在符合状态下 主 昌体的计数率 在 高度上 ， 工作在符合状态下的各主 晶体 的积分计数率 二 一 盆 一 ’ 分别 为 。 土 ， ， 土 ， 。 士 。 。 土 墓

计数率的微分谱如图3所示。NaI/CsI的曲线在170keV以下和340~410keV区间显得偏 高，其他主晶体的计数率低，分布十分平坦。 符合计数，主要是带电粒子和中子引起的(”、)事件所产生。按照文献〔1们的计算， 中子产生的Y本底蜂约在40~80keV能区和200keV附近，中子能量在380keV附近(n、y) 作用截面也较高。图3的曲线表明，中子对NaI/Csl的计数的贡献有所显示，对NaI/BaFz, NaI/BGO不明显。 eI,CsI 0.3 NaI/CsI NaI/BGO 0.2 r-Baf2 40 100 Z00 300 400 E/keV 图3在符合状态下结晶体的能损谱（飞行高度35,5~36,6k血） Fig.3 Plot of energy loss in primary crystals (CMode) 3×10-61 210 1×10 8×10 NaI(Il)/NaI(T1) 670 Nal(TI)/Baf2 5×10 o-0-0o-a1(11)/BGm 30 110. 150 190 230 270 310 350 390 Cnergy loss/kev 图4各主晶体的能损谱(CMode,飞行高度31,3~33.5上m) Fig.4 Plot of energy loss in primary crystals(CMode) 105

即 一 甲 。 七 二 ’ 日 二〕 口 匕口 目 自口 匕止一 户山洲 劝 赞 飞 肋 卜 。 加 已 亡 日 日 吕 主 。 主 厂 日 图 么 探测器 电路 和球载微机及数据发送 系统 整成一致 。 各 均为 道 。 逻辑控制设 有 种状态 主晶 体 与 。 晶 体 信 号 反 符 合 、 符合 和独立态 即各晶体 自身单独计数 。 个复合探 测器等距紧凑排列竖直安放 。 每个复合探测器都用轻型保温材料 包 裹 ， 全 套 装置安装在一个吊篮架上 ， 用气球载上高空 。 在地面通过遥控 、 遥 测系统控制探测器的工作状态 ， 记录球上发 回 的数据 ， 在微机 显示 荧光屏上能监视仪器工作状况并将数据及时存人软盘 ， 以供离线分析 。 曾进行了两次高空飞 行 。 第一次是在 年 月 日上午 。 飞 行最大高 度达到 。 。 第二 次是在 年 ， 月 日 ， 飞行高度 。 实 验 结 果 计橄率防高度的变化 个反符合 晶体在独立 状态下 自身的计数率随飞 行高 度的变化曲线 表 明 各 反符合晶体的最 高计数率均在 高度范 围 。 按各 个晶体的单位面积质量厚 度 归 一 的 计数率的大小依 次为 、 、 、 ， 这与它们探测效率的大小顺 序一致 。 在反符合状态下各主 晶体计数率随 高度的变化曲线峰也在 一 呱 高度范围 。 根据 、 、 〔 ’ 的测量 ， 高空快 中 子 能 量 一 、 梦 射 线 能 量。 。 一 、 带电粒子 及 。 。 以下 的软夕 背景 的流强高度曲线 的峰 分 别 位 于 。 、 、 。 附近 。 其结果显示 出了高空强下 和 中子 区各种射线 的总效应 。 主 晶体 的结 果说明 ， 在这 样的环境中有相当一部分射线未被屏蔽掉而进 入 了主 晶体 。 在符合状态下 主 昌体的计数率 在 高度上 ， 工作在符合状态下的各主 晶体 的积分计数率 二 一 盆 一 ’ 分别 为 。 土 ， ， 土 ， 。 士 。 。 土 墓

2.3在反符合状态下主晶体的计数率 在31.5~33.5km高度范围，各主晶体在30~350keV能区的积分计数率(cm-2s~1)分别 为： NaI/BeF2 NaI/BGO Nal/CsI Nal/NaI 0.433±0.006 0.482±0.007 0.353±0.0060.425±0.006 计数率的微分谱表示在图4。由图可见是典型的下降本底谱。在15~20km高度范围， 各主晶体的计数率微分谱与图4相似，但计数率高出将近两倍。 在反符合状态下，入射角不大的带电粒子和部分中子产生的y己被排除。各主晶体的计 数，一部分可能是穿过屏蔽层而进入主晶体的大气y,一部分可能是中子产生的y光子，还 有一部分大角度斜穿或横穿主晶体的带电粒子及其产物。中子产生的Y能谱应该出现峰，其 他几种粒子本身的能谱都是倾斜下降谱。显然图4的下降谱是它们共同作用产生的结果。在 50keV以下计数都比较高，中子的贡献被淹设；在150keV以上，NaI/CsI、NaI/NaI和NaI/ aF:的计数率分布基本一致，NaI/BGO偏低，下降陡， 3结 论 无论是工作在符合状态或反符合状态，·4个复合探测器主晶体的积分计数率基本一致， 未显示出重大差别，对于用作X射线强度观测的望远镜，4种闪烁晶体都可使用，但BGO晶 体的探测效率高，可以缩小体积。NaI/BGO探测器的计数率微分谱低于NaI/CsI和NaI/NaI 铢测器，NaI/BaFz探测器的符合计数率撒分谱低于NaI/CsI和NaI/NaI探测器，反符合计数 率微分谱不高于NaI/CsI和NaI/NaI探测器。对于作硬X射线能谱观测的望远镜，用BGO晶 体作反符合闪烁体有利，它对y射线的探测效率高，可以减少体积，降低望远镜的本底水平， 有利于提高望远镜的灵敏度。用BaF2作反符合晶体也可适当缩小体积，降低本底水平。 致谢：作者衰心您谢高能物理研究所天体物理实验室领导、电子学组和气球组同志们的密切合作和有力的支持。 参考文献 1 Charalambous P M,Dean A J,et al,Nucl.Instr.and Meths;1985, A238:533 2 Haymes R C.J.Geophysics Research,1964,69 (5):841 3 Ling J C.J.Geophysics Research,1975,80 (22):3241 106

在反持合状态下主昌休的计数率 在 一 。 高 度范围 ， 各主 晶体在 能区的积分计 数率 一 念 一 ‘ 分别 为犷 一 。 士 。 。 士 。 。 士 。 土 。 令 计数率的 微分 潜表 示在 图 。 由 图可见是 典型 的下降本底 谱 。 在 一 。 高 度范围 ， 各主晶体的计数率微分谱与图 相似 ， 但计数率高 出将 近两倍 。 在反符合状态下 ， 入射角不大的带电粒子和部分中子产生 的 夕 己被排除 。 各主晶体的 计 数 ， 一部分可能是穿过屏蔽层而进人 主晶体的大气 ，， 一部 分可能是 中子产生的 ， 光子 ， 还 有一部分大角度斜穿或横穿主晶体的带 电粒子 及其产物 。 中子 产生的 夕 能谱应该出现峰 ， 其 他几种粒子本 身的能谱都是倾斜下降谱 。 显然图 的下降谱是它们共 同作用产生 的结果 。 在 以 下计数都 比较 高 ， 中子 的贡献被淹没 在 以上 ， 、 和 的计数率分布基本一致 ， 偏低 ， 下 降陡 ， 结 论 无论是 工作在符合状态或反符合状态 ， 个复合探测器 主晶体的积分 计数率基本一致 ， 未显示出重 大差别 。 对于用 作 射线强 度观 测 的望远镜 ， 种 闪烁 晶体都可使用 ， 但 晶 体的探侧效率高 ， 可 以缩小体积 。 探 测器的计数 率微分谱低于 和 沐洲器 ， 探测器 的符合计数率微分谱低于 和 探 测器 ， 反符合计数 率微分谱不高于 和 “ 探 侧器 。 对于作硬 射线能谱观侧的望远镜 ， 用 晶 体作反符合闪烁体有利 ， 它 对 ， 射线 的探测效率高 ， 可以减少体积 ，降低望远镜 的本底水平 ， 有利于提高望远镜 的灵 敏 度 。 用 作反符合 晶体也可适当缩小体积 ， 降低本底水平 。 致谢 作者 衰心 感谢高 能物理 研究所天体 物理实验室 领导 ， 电子学组和气球 组 同志们 的密切 合作和有力的支持 。 参 考 文 献 。 。 。 ， ， 。 。 。 ， ， ， ，白甘 支