第23卷第2期2003年3月Vol.23No.2March2003核电子学与探测技术NuclearElectronics&DetectionTechnology大面积塑料闪烁体中荧光光子收集研究樊淋李延国2,季建峰20清华大学工程物理系』匕京100084$2中国科学院高能物理研究所宇宙线与高能天体物理开放实验室，北京918信箱100039）摘要：利用Geant-3软件包建立了一套计算塑料闪烁体中可见光产生和收集的程序，并与实验进行了对比，二者基本一致.关链词：光收集；Geant中图分类号：0435.liTP311文献标识码：A文章编号；0258-0934（2003）02-0117-040引言空间粒子探测中常利用塑料闪烁体进行反符合屏蔽，但大面积薄塑料闪烁体荧光收集的效率及其均匀性一直是个难题。关键是缺乏理论指导，凭经验反复做实验十分耗时，效率很低，并且往往很难达到理想的效果。本工作试图建立一套可见光荧光光子产生、输运和收集的物理模型，编写岀蒙待卡罗程序进行模拟，以期能对实验设计起到一定的指导作用。1物理模型的建立对荧光光子在塑料闪烁体中的产生、输运和收集的模型基本要点说明如下，1）光子产生时其初始运动方向是随机的，带电粒子在塑料闪烁体内的整个运动过程中，都会产生光子••2）光子在塑料闪烁体中的衰减与传播距离呈指数分布⑴.3）光子到达塑料闪烁体与其他物质的界面收積日期,2001-09-17葛金项目，国家自然科学基金资助（天体高能辐射的观测与研究G2OOOO776OO）和国家重点基础研究专项经费作者简介，樊淋（1978・）•男.湖南人，清华大学工程物理系硕士生.时，服从反射定律，反射回塑料闪烁体的概率等于反射波与入射波能量之比。4）当光子到达光电倍增管光阴极时，即认为被收集。基于以上4点，可以编写蒙特卡罗程序对几乎任何情况下的光子的行为进行模拟。为了初步验证上面的物理模型，设计了一个简单的实验。用25cmX25cmX0.5cm的塑料闪烁体薄板，表面打毛后包裹上反射层，再在收集区域将反射层挖孔，将光电倍增管在此处与塑料闪烁体直接耦合，收集宇宙线中的卩子产生的可见光信号。针对实验，结合前面提出的4点要点，可以得出切合实验的更为简单的模型：1）卩子经过塑料闪烁体表面某点，穿过塑料闪烁体打出的光子，认为是以塑料闪烁体此表面点下中点位置处为中心，满足4兀立体角均匀分布的.假定对应于一个卩子平均能损所产生的光子数为定值，取为某一平均值。2）光子在塑料闪烁体中的衰滅与传播距离呈指数分布。实验所用材料的半吸收长度为3m.3）光子在塑料闪烁体表面的反射是漫反射，即各点的法线方向是随机的。并假定塑料闪烁体表面与反射层为一联合表面，且光子到达表面后，以恒定的概率、随机的方向回到塑料闪烁体里面。这是对上面初始模型中第3点的合理简化。实际上光子到达塑料闪烁体表面后，有一定的概率反射回塑料中，概率的大小与光子的运动方向有关：透射岀去的光子，碰到反肘层后，有一定的概率穿过反射层丢失或者被反射层吸收，更主要的是被反射层反射回来，碰到塑料闪烁体表面，再被反射或者折射•但以上的过程对于每个光子都是多次反复进行，直到被收集或者损失•而在一定厚度，发光效率不低的塑料闪烁体中每个M子平均打岀的光子数也是较多的，故而可以认为用一个恒定的反肘率能够反应出实际的物理情况，这个恒定的反射率，即是物理过程的平均反射率。引入此平均反射率,使物理模型和模拟程序得到了很大的简化。4）模拟过程中，当光子到达光阴极玻璃窗表面时，即认为被收集。这也对初始的模型进行了简化，因为光子并不一定能够穿过玻璃窗，会有一定的概率返回到塑料闪烁体中。但能到达玻璃窗表面的光子与产生的光子总数相比少得多，故认为第一次到达收集区域后即被收集，就此停止此光子的跟踪不会影响到模拟结果。基于以上的4条简化处理的模型，跟踪一个光子的流程图见图1.图1跟踪光子的流程图随机取光子的反射方向模拟程序编写的难点主要集中在对塑料闪烁体几何形状的设定和光子运输过程中边界的判断。Geant-3中有功能齐全的几何体设计程序包和优化的判别物体界面的方法，可以为本实验的光子模拟提供良好的软件环境.特别是当闪烁体的形状较为复杂时，利用Geant-3的软件环境更显示岀优势。Geant-3不能模拟可见光的传播...