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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1 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
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

2 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 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

3 激光康普顿散射： Laser Compton Scattering (LCS)
1922年，康普顿效应 获诺贝尔奖（ 1927） b : Electron velocity /c qL: Incident angle of laser photon q : Scattered angle of photon Head-on collision (qL=0) ex. Ee=3.5GeV, l=10.6mm Eg～22MeV Laser Compton scattering Incident electrons Ee Incident Photons El Scattered electrons Scattered photons Eg q Bang!

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5 Injector + linac have been finished
a 160MeV Linac at SDUV-FEL Injector + linac have been finished Photo injector 160MeV Linac FEL Radiator

6 SLEGS样机实验中激光器和电子加速器的运行模式
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7 实验亮点 难点 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

8 第二部分：Si (Li)探测器,电子学和数据获取系统
ORTEC电子学 Si (Li) 探测器，由所仪器中心自行研制 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

9 探测器和可远程遥控的小车 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。
附图 5.2 探测器小车实物图 附图 5.1 探测器小车结构图 图5.2 水平方向直线拟合 图5.3 垂直方向直线拟合 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。

10 LabVIEW 数据获取系统 数据采集卡PCI 6132 采集卡面板BNC 2110
Single or multiplier measure Time or Event Time gap 数据采集卡PCI 6132 Rates; Counts; Passed time; 采集卡面板BNC 2110

11 　能量刻度 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%。)。

12 DAQ效率测量 　时间刻度　　　　　

13 系统稳定性及系统漂移 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. 测量时间~7天，整个系统漂移为 2eV。系统的稳定性好于 0.3‰.

14 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。 Sample / lab background Count rates (Hz) Lab background 0.257±0.002 Clay sample 0.259±0.002 Water sample 0.267±0.002

15 小结 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！
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！

16 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) 第一步：设置一ADC门：40µs，排除除轫致辐射外的绝大部分本底!

17 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 !
时间路设置阈值：~150mV

18 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

19 First term experimental result
一期实验结果 First term experimental result X-ray peak 29.1±4.4±2.1keV X-ray width (δ) 7.8±2.8±0.4keV S/N 1/406 Peak photon flux* 523±209 Hz Signal-to-Noise Ratio=1/406 *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, (2010)

20 X-ray spectrum (Second term)
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±1.64keV X-ray width (δ) 0.74±0.26±0.03keV S/N 1/780 Peak photon flux* 1.7±0.3×103s-1 W. Luo et al., Applied Physics B (in print)

21 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。

22 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

23 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
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 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(%) 165 88 21 85 0.1/0.3 价格($/cc) 1cc=3 1.8 10 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

24 VME electronics for LEGS (罗文,潘强岩)
8Ch 40-250Mhz per ch (32MS/ch memory) ADC: SIS3320 DAQ+PC based on Linux/XP operation system Pre-amp. 1) 32Ch; 2) 250MHz scaler ADC: SIS3320 Scintillator detector array CFD Scaler: SIS3820 CFD Spec. Amp N568B Pre-amp. Trigger Interface: SIS1100-eCMC+SIS3104 (160MByte/s) 16Ch Sharping time: 0.2us or 1us ADC: V785N 16Ch Conversion time: 2.8us /16 ch CFD Delay TDC: V1290A Signal CFD Delay 32 Channel Multi-hit, Readout rate: 33 Mb Note: 32Channel electronics，two SIS3320 and one V785N are used.

25 Connecter: SIS1100 ADC： SIS3320 Connector: SIS3104 LC-LC50/125 um Fibre 5m VME机箱6023x632 ADC: Two SIS3320 Scaler: SIS3820 Evaluation 2009

26 Thank you for your attention !
致 谢 Thank you for your attention !

27 “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

28 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：
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；

29 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 欢迎各位参加!