4.2 二维对称矩阵的本底-Radware approch

二维矩阵

In [1]:
TCanvas *c1=new TCanvas;
TFile *fgamma=new TFile("eu152gg.root");
TH2D *hgg=(TH2D*)fgamma->Get("hgg");
hgg->Draw("colz");
gPad->SetLogz();
c1->Draw();
In [2]:
.L peaks.C

总投影谱- total projection spectrum

In [3]:
TH1D *hg=hgg->ProjectionX("hg");
peaks("hg");
c1->Draw();

152Eu decay

  • X-ray - through EC of 152Eu follows by the emission of a characterisitic x-ray of 152Sm
X-ray Energy(keV) Intensity
XR kα2 39.522 21.0 %
XR kα1 40.118 37.7 %
XR kβ3 45.293 3.75 %
XR kβ1 45.414 7.26 %
XR kβ2 46.578 2.40 %
  • $\gamma -$ ray 参考 作业4.1内衰变纲图

总投影谱的peaks和background

In [4]:
TSpectrum *sa=new TSpectrum(200);
TH1D *hbg,*hpeak;
//Generate Smooth Background under peaks.
hbg=(TH1D*)sa->Background(hg,8,"nosmoothing same");//background
hbg->SetFillColor(kWhite);
hpeak=new TH1D("hpeak","hpeak",1500,0,1500);
hpeak->Add(hg,hbg,1,-1);//peaks 
hpeak->SetLineColor(kBlack);
hpeak->Draw("same");
gPad->SetLogy();
c1->Draw();

Radware method:Background Substraction in $M_{ij}$ gg matrix

  • D.C. Radford, Nucl. Instr. Meth. A361(1995)306

For $i_{th}$ bin of the total 1D projection of two-fold coincidence matrix $M_{ij}$, the total counts $𝑃_i$ can be divided into a “background” spectrum $b_i$ and a “peak” spectrum $p_i$ : $P_i=b_i+p_i$。The background counts underlying the peaks arise from both Compton-scattered γ-rays and quasi-continuum transitions. $$P_i=\sum_{j} M_{ij}, \quad T=\sum_{j}P_j $$

For the two-fold background matrix $B_{ij}$:

$$b_i=\sum_{j} B_{ij} $$$$b_i= b_i \frac{\sum_{j} P_j}{T} =\sum_{j}{\frac{1}{T} b_i P_j}$$

$$B_{ij}=\frac{1}{T}b_i P_j=\frac{1}{T}b_i(p_j+b_j)=\frac{1}{T}(b_i p_j+b_i b_j)$$

But the term of $b_j p_i$ is not include in the equation above, so that $B_{ij}$ is asymmetric. The symmetric 2D background can be written as: $$B_{ij}=\frac{1}{T}(b_i p_j+b_j p_i+b_i b_j)=\frac{1}{T}(P_i P_j-p_i p_j)$$

  • 上述方法可以推广到 3-fold,4-fold的矩阵

其他方法:

Radware方法的具体实现

In [5]:
TH2D* hggb=new TH2D("hggb","bgmat for gg",1500,0,1500,1500,0,1500);
TH2D* hggmat=new TH2D("hggmat","ggmat with backsub",1500,0,1500,1500,0,1500);
Double_t T,Pi,Pj,pi,pj,Bij,x,y;
In [6]:
T=hg->Integral();
  for(int i=0;i<hgg->GetNbinsX();i++) {
    for(int j=0;j<hgg->GetNbinsY();j++) {
      Pi=hg->GetBinContent(i+1);
      Pj=hg->GetBinContent(j+1);
      pi=hpeak->GetBinContent(i+1);
      pj=hpeak->GetBinContent(j+1);
      Bij=(Pi*Pj-pi*pj)/T;
      if(Bij<0) Bij=0;
      x=hg->GetBinCenter(i+1);
      y=hg->GetBinCenter(j+1);
      hggb->Fill(x,y,Bij);// backgound gg matix
    }
  }

  hggmat->Add(hgg,hggb,1,-1);// background subtracted gg matix.

本底$\gamma-\gamma$矩阵

In [7]:
hggb->Draw("colz");
c1->SetLogy(0);
c1->SetLogz();
c1->Draw();

减本底后的$\gamma-\gamma$矩阵

In [8]:
hggmat->Draw("colz");
c1->SetLogy(0);
c1->SetLogz();
c1->Draw();
In [9]:
TH1D *hgx=hggmat->ProjectionX("hgx");
peaks("hgx");
c1->Draw();

观察矩阵的局部

In [10]:
.L zoom.C
In [11]:
zoom("hgg",70,70,100);
c1->Draw();//Draw(“surf1”);
In [12]:
zoom("hggb",70,70,100);
c1->Draw();
In [13]:
zoom("hggmat",70,70,100);
c1->Draw(); 
c1->Draw();

减本底后的矩阵的每个(x,y)位置的高度计数的统计误差增加!

$\sigma_{N_{net}}=\sqrt{\sigma^2_N+\sigma^2_{background}} $

当剩余计数$N_{net}$与统计误差$\sigma_{N_{net}}$大小相近时无法判断是否有符合!

  • 只有尽量减少本底贡献,才能确认弱关联的gamma之间的符合关系
    • 途径:
      • 每个探测器加入anti-compton shield
      • 通过加入其它探测器的符合,选择感兴趣的反应道。。。
In [14]:
void gate(Double_t ge, TH2D* hgg, Double_t xmax=1500,Double_t gew=2)
{   int ih=0;
    double gea,geb;
    TH1D *hg;
    TString hname;
    hgg->SetAxisRange(0,xmax,"X");
    hgg->SetAxisRange(0,xmax,"Y");
    gea=hgg->GetXaxis()->FindBin(ge-gew);
    geb=hgg->GetXaxis()->FindBin(ge+gew); 
    hname.Form("gated on %d keV_%i",int(ge),ih++);
    hg=hgg->ProjectionX(hname,gea,geb);
    hg->SetTitle(hname);
    hg->Sumw2(0);
    hg->SetAxisRange(0,1500,"X");
    peaks(hname,0.02);
    c1->Draw();
}

122keV的开窗谱

  • 152Eu中和121keV有符合的gamma射线:244、296、444 ... keV
In [15]:
gate(122.5,hggmat);

Interactive Generation of level scheme

  • Assume a tentative level scheme with branching ratios for different transitions
  • Predict the projected spectra in coincidence with gates
  • Compare with the observed intensity of g-lines
  • Adjust branching ratios to fit counts in peak
  • Add new levels & transitions if required
  • Continue until satisfied !!
  • Spin & parity from angular correlation/polarization data

验证133Ba的衰变纲图

x-ray

  • through EC of 133Ba follows by the emission of a characterisitic x-ray of 133Cs
X-ray Energy(keV) Intensity
XR kα2 30.625 33.9 %
XR kα1 30.973 62.2 %
XR kβ3 34.92 5.88 %
XR kβ1 34.987 11.4 %
XR kβ2 35.818 3.51 %

$\gamma-$ ray

Each level decay through $\gamma$ and IC(Internal Conversion) with intensity of $I_{\gamma}$ and $I_{e}$, respectively.

预期符合关系

gate \ peaks 80 160 223 302 383 53 276 356
80 O x O O x O O O
223 O O x x x O x x
160 x x O x x O O x
302 O x x x x O x x
383 O x x x x O x x
53 O O O O O x x x
276 O O x x x x x x
356 O x x x x x x x
In [16]:
//%jsroot on
gate(80,hggmat,400);//80:53,80!,223,276,302,356, no 160!
gate \ peaks 80 160 223 302 383 53 276 356
80 O x O O x O O O
In [17]:
gate(223,hggmat,400);//223:53,80,160 -> 80+80=160
gate \ peaks 80 160 223 302 383 53 276 356
80 O x O O x O O O
223 O O x x x O x x
In [18]:
gate(160,hggmat,400);//160:53,80,276
gate \ peaks 80 160 223 302 383 53 276 356
80 O x O O x O O O
223 O O x x x O x x
160 O->x x O x x O O x

gate(80)没有160峰,gate(160)有80峰:80和160没有符合

In [19]:
gate(302,hggmat,400);//302:53,80
gate \ peaks 80 160 223 302 383 53 276 356
80 O x O O x O O O
223 O O x x x O x x
160 O->x x O x x O O x
302 O x x x x O x x
In [20]:
gate(383,hggmat,400);//383:53
gate \ peaks 80 160 223 302 383 53 276 356
80 O x O O x O O O
223 O O x x x O x x
160 O->x x O x x O O x
302 O x x x x O x x
383 O x x x x O x x
In [21]:
gate(53,hggmat,400);//53:80,223,302,383: 223+80=302, 80+302=382,
gate \ peaks 80 160 223 302 383 53 276 356
80 O x O O x O O O
223 O O x x x O x x
160 O->x x O x x O->x O x
302 O x x x x O x x
383 O x x x x O x x
53 O x O O O x O x
In [22]:
gate(276,hggmat,400);//276:80,160
gate \ peaks 80 160 223 302 383 53 276 356
80 O x O O x O O O
223 O O x x x O x x
160 O->x x O x x O->x O x
302 O x x x x O x x
383 O x x x x O x x
53 O x->O O O O x O->x x
276 O O x x x x x x
  • 276-53没有符合!
In [23]:
gate(356,hggmat,400);//356:80

观察符合得到的关联关系

gate \ peaks 80 160 223 302 383 53 276 356
80 O x O O x O O O
223 O O x x x O x x
160 O->x x O x x O->x O x
302 O x x x x O x x
383 O x x x x O x x
53 O x->O O O O x O->x x
276 O O x x x x x x
356 O x x x x x x x

预期符合关系

gate \ peaks 80 160 223 302 383 53 276 356
80 O x O O x O O O
223 O O x x x O x x
160 x x O x x O O x
302 O x x x x O x x
383 O x x x x O x x
53 O O O O O x x x
276 O O x x x x x x
356 O x x x x x x x

说明

  • 53keV与160keV的符合关系与预期不一致。

    当两个gamma之间相隔越远(中间相隔的gamma较多)时,由于中间路径中其他gamma分流强度,两者之间的符合强度很小。 当统计不强的时候,不容易看见他们之间的直接符合。 因此gamma开窗谱,一般用于确定相隔不远的gamma之间的符合关系。 根据附近gamma之间的关联,以及gamma能量之间的加合和强度平衡关系,猜测可能的符合关系。按照上述步骤,逐步验证和修订,最终建立能级纲图。

  • 一般同轴型HPGe的效率在200keV附近为峰值,在50keV附近效率很低。

  • 根据上述讨论和实际观察到的gamma之间的关联,可以确认53keV-160keV有符合关系。

偶然符合矩阵

在熔合蒸发反应γ谱学实验中,低能区通常会观察到来自实验靶的衬底成分(如Au或Pb)的X射线峰,例如图b、c中的68、79和279keV附近的峰。这些X射线是由于被束流激发的衬底原子在退激时产生的。与熔合蒸发反应产物的γ-γ之间不同的是,X射线和γ射线之间没有符合关系(不相关)。然而,由于X射线的生成截面远大于γ射线的生成截面,在γ−γ符合时间窗内会混入显著的偶然符合成分(见图a)。

可以通过构建偶然符合矩阵,按照下述步骤去除符合时间窗内的偶然符合成分。
首先,将符合时间窗范围内的γ符合事件填入瞬发符合矩阵PAM(Prompt+Accindental Matrix)中。然后,在符合时间窗范围外选取左右对称的两个偶然符合时间窗(图a中红色阴影区),将该区域的事件填入偶然符合本底矩阵AM(Accindental Matrix)。通过将PAM矩阵减去AM矩阵得到最终的矩阵PM(Prompt Matrix):设符合时间窗长度为dPT,偶然符合窗总长度dAT,则 PM = PAM - (dPT/dAT) * AM。

经验表明,所选偶然符合时间窗距离符合时间窗越近,其偶然符合事件的扣除效果越好。原则上,偶然符合时间窗的选择应紧挨着符合时间窗的两个对称时间窗。图b和c展示了扣除偶然符合前后的投影谱对比图。粉色表示未扣除偶然符合的投影谱,而蓝色表示扣除偶然符合后的投影谱。可以看出,通过偶然符合的扣除,197Au的X射线影响大大减少。

  • AM矩阵可以按照上述Radware方法进行进一步分析。