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
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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
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