单光子计数型CCD的蒙特卡罗模拟及研究.pdfVIP

第十一届全国蒙特卡罗方法及其应用学术交流会论文 ∗ 单光子计数型 CCD的蒙特卡罗模拟研究 闫永宏，赵宗清，吴玉迟，魏来，洪伟，谷渝秋，曹磊峰 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心 等离子体物理重点实验室 绵阳 621900 摘要：建立了适用于研究摘要 PI-LCX ：1300 型单光子计数型 CCD 量子效率及多像素事件的蒙特卡罗模拟模型，采用蒙特 摘要摘要 卡罗程序 Geant4 对 0.5~30keV 能量区间的 X 射线在 CCD 芯片中的输运进行了模拟研究。研究了 X 射线在 CCD 芯片 中的能量沉积谱，给出了 CCD 探测 X 射线的效率曲线，其结果与厂家提供的效率曲线一致。研究了 Si 片厚度对探测 效率的影响，结果表明在有效探测范围内，Si 片越厚探测效率越高，而对较高能量的 X 射线，此趋势不明显。研究了 能量沉积分布在多个像素中的问题，结果表明周围像素中的能量沉积主要由中心像素的特征 X 射线及瑞利散射 X 射线 所贡献，在 5~30keV 之间 X 射线能量越高，能量沉积效率越低，多像素污染效果越弱。 关键词：关键词 X 射线；CCD ；蒙特卡罗；量子效率；多像素事件 关键词关键词 中图分类号：中图分类号 TN386.5 文献标识码：文献标识码：A 中图分类号中图分类号 文献标识码文献标识码：： 单光子计数型 CCD （charge coupled device ）作为一种诊断X 射线的设备，现已被广泛应用于短脉 冲激光与等离子体相互作用的实验中，可用来测量激光等离子体用中产生的 Kα射线及康普顿 X 射线 背光源等[1, 2] 。单光子计数型CCD 采用前向照射、深耗层制作工艺，具有动态范围大、灵敏度高和线 性度好、实时测量等特点，与晶体谱仪相比，单光子 CCD 的定量分析更加直观且数据处理更加方便。 作为一种重要的 X 射线诊断设备，单光子 CCD 的探测效率是十分重要的参数，往往需要通过标 准源对其进行标定。当光子入射到某像素上时，通过光电效应等方式沉积能量进而产生电子-空穴对， CCD 的MOS （金属-氧化物-半导体）单元收集这些电子云团，完成电荷存储，电荷数目正比于光子的 能量。单光子 CCD 测量短脉冲 X 射线辐射时，通过滤片等措施使 CCD 工作在单光子模式，以保证一 个像素上面只接收一个光子。而某像素接收一个光子产生的电子云并不完全分布在此像素内，周围的 像素也会产生部分电荷，且在电荷收集过程中，电子云团的形状也会发生变化，最终导致一个事件所 产生的电荷被多个像素所收集，这就是所谓的多像素事件。 本文针对 PI-LCX ：1300 型单光子计数型 CCD，建立了探测效率模拟模型，模拟给出了此 CCD 的探测效率。另外建立了研究多像素事件的模拟模型，由于多像素事件形成过程复杂，在此我们不考 虑电子云团在电场作用漂移过程中其形状发生的变化，就能量沉积在多像素中的分配问题进行了研究， 为实验数据处理提供理论依据。 1 蒙特卡罗模拟模型的建立 探测效率计算中，采用如图 1(a)所示的模型，光子垂直入射到单个像素（20µm×20µm ）Be 窗表面， Be 窗后面放置 Si 片。根据厂家提供的说明书 PI-LCX: 1300 型 CCD 的Be 窗厚度为 250µm ，而根据相 [3] 关文献 的记载此型号的CCD 其 Si 片的厚度为 50µm 。 CCD 探测效率即量子效率定义为： N η = p × 100% （1） N 0 其中 Np 为 CCD 响应到的光子数，N0 为入射到 CCD 像素上的光子数。入射的光子数目即模拟事 件的次数已知，而探测器响应计数由能量沉积谱中全峰下的计数给出。 用于多像素事件研究的模型如图 1(b)所示，在中心像素周围放置了与其相邻的 8 个像