chapter 6. 基于白光中子源的(n,n')反应测量¶
- 目的: 学习基于白光中子源的ppac-中子探测器信号的处理方法。
实验概况及探测器设置：¶
- 散列中子源：采用快循环质子同步加速器提供的脉冲重复频率为25Hz，能量为1.6GeV的强流质子束轰击厚钨靶(11片钨靶组成，全长65cm)，发生散裂反应出射大量10$^{-8}$ - 10$^2$ MeV范围内的中子，通过测量中子飞行时间得到中子的能量。质子脉冲分为三种运行模拟:一是窄束团模式，质子束团仅有 3.7ns;二是单束团模式，束团时间结构呈单抛物线结构，半高宽度约40ns;三是双束团模式，由两个相隔 400ns 的单束团组成。本实验运行在双束团模式。
- 白光中子源产生的中子束流入射到终端1(飞行距离约55m)的PPAC阳极靶材料形成复合核，复合核退激时发射中子以及伴随带电粒子。PPAC由4个Cathod-Anode-Cathod结构的独立单元前后排列。每单元的伴随带电粒子信号作为反应中子的飞行时间起始。 距离靶100cm处放置4个液体闪烁体探测器，测量反应中子的到达时间。
- 采集卡：XIA Pixie-16 500MHz, 14bit
- ROOT文件事件结构：所有探测器信号按时间排序。从第一个信号开始，将300ns以内的所有探测器组装成一个事件。
- evt : |--- 0 ---|------ 1 ------|------- 2 -------|-------- 3 ----------|
- time: 0 200 355 365 450 700 710 430 740 1200 1300 1350 1400
- det: ref LS1 P1 P2 LS1 P1 P3 LS2 LS4 LS1 P1 LS3 LS4
- nref: 1 0 0 0
- nls: 1 1 2 1
- nppac: 0 2 2 3数据文件中TTree结构¶
- 时间信号：
- 粗时钟(ts)和CFD过零点时间(subts)组成, t = ts + subts (ns) ;
- refts, refsubts：质子脉冲的时间
- ppacts, ppacsubts: ppac探测器时间
- lsts, lssubts: 液闪探测器时间
- 粗时钟(ts)和CFD过零点时间(subts)组成, t = ts + subts (ns) ;
- 能量信号
- ppacraw: ppac脉冲信号积分
- lssg,lslg: 液闪信号short gate, long gate积分
- lse: 液闪信号积分
- 探测器id
- ppacid
- lsid
In [1]:
TCanvas *c1 = new TCanvas("c1");
TFile *f1 = new TFile("ana_0354_W300.root", "READ");
f1->ls();
In [2]:
TTree *fChain = (TTree *)f1->Get("tree");
fChain->Print();
重新组织事件结构¶
void Reset(Short_t *ppace, Double_t *ppact,
Double_t *lsqs, Double_t *lsql, Double_t *lsq, Double_t *lst)
{
for(int i=0;i<4;i++) {
ppace[i] = 0;
ppact[i] = -1;
lsqs[i] = -1;
lsql[i] = -1;
lst[i] = -1;
lsq[i] = -1;
}
}
void convert()
{
//input
TFile *f1 = new TFile("ana_0354_W300.root", "READ");
TTree *fChain = (TTree *)f1->Get("tree");
// Declaration of leaf types
Int_t nref;
Long64_t refts[128];
Double_t refsubts[128];
Int_t nppac;
Short_t ppacid[128];
Long64_t ppacts[128];
Double_t ppacsubts[128];
UShort_t ppacraw[128];
Int_t nls;
Short_t lsid[128];
Long64_t lsts[128];
Double_t lssubts[128];
Double_t lse[128];
Double_t lssg[128];
Double_t lslg[128];
// List of branches
TBranch *b_nref;
TBranch *b_refts;
TBranch *b_refsubts;
TBranch *b_nppac;
TBranch *b_ppacid;
TBranch *b_ppacts;
TBranch *b_ppacsubts;
TBranch *b_ppacraw;
TBranch *b_nls;
TBranch *b_lsid;
TBranch *b_lsts;
TBranch *b_lssubts;
TBranch *b_lse;
TBranch *b_lssg;
TBranch *b_lslg;
fChain->SetBranchAddress("nref", &nref, &b_nref);
fChain->SetBranchAddress("refts", refts, &b_refts);
fChain->SetBranchAddress("refsubts", refsubts, &b_refsubts);
fChain->SetBranchAddress("nppac", &nppac, &b_nppac);
fChain->SetBranchAddress("ppacid", ppacid, &b_ppacid);
fChain->SetBranchAddress("ppacts", ppacts, &b_ppacts);
fChain->SetBranchAddress("ppacsubts", ppacsubts, &b_ppacsubts);
fChain->SetBranchAddress("ppacraw", ppacraw, &b_ppacraw);
fChain->SetBranchAddress("nls", &nls, &b_nls);
fChain->SetBranchAddress("lsid", lsid, &b_lsid);
fChain->SetBranchAddress("lsts", lsts, &b_lsts);
fChain->SetBranchAddress("lssubts", lssubts, &b_lssubts);
fChain->SetBranchAddress("lse", lse, &b_lse);
fChain->SetBranchAddress("lssg", lssg, &b_lssg);
fChain->SetBranchAddress("lslg", lslg, &b_lslg);
//output
Short_t ppace[4];
Double_t ppact[4],lsqs[4],lsql[4],lsq[4],lst[4],ppacem;
Double_t t0;
Int_t ppacidm;
TFile *fout = new TFile("ana354.root", "RECREATE");
TTree *tout = new TTree("tree", "tree");
tout->Branch("nppac", &nppac, "nppac/I");
tout->Branch("ppace", &ppace, "ppace[4]/s"); //ppac energy
tout->Branch("ppact", &ppact, "ppact[4]/D"); //ppac time - ref time
tout->Branch("ppacem", &ppacem, "ppacem/D"); //
tout->Branch("ppacidm",&ppacidm, "ppacidm/I"); //maximum ppac energy
tout->Branch("nls", &nls, "nls/I");
tout->Branch("lsqs", &lsqs, "lsqs[4]/D"); //ls Q_short_gate
tout->Branch("lsql", &lsql, "lsql[4]/D"); //ls Q_long_gate
tout->Branch("lse", &lsq, "lse[4]/D"); //ls energy
tout->Branch("lst", &lst, "lst[4]/D"); //ls time - ref time
Long64_t nentries = fChain->GetEntriesFast();
t0 = -1;
for (Long64_t jentry = 0; jentry < nentries; jentry++)
{
Reset(ppace, ppact, lsqs, lsql, lsq, lst);
fChain->GetEntry(jentry);
if(nref > 0) {
t0 = refts[0] + refsubts[0];
}
if(t0 > 0 && nref == 0 && nppac > 0) {
double t1 = -1;
ppacem = -1;
ppacidm = -1;
for(int i=0; i<nppac; i++) {
ppace[ppacid[i]] = ppacraw[i];
ppact[ppacid[i]] = ppacts[i] + ppacsubts[i] - t0;
if(t1 < ppact[ppacid[i]]) t1 = ppact[ppacid[i]];
if(ppacraw[i] > ppacem) {
ppacem = ppacraw[i];
ppacidm = ppacid[i];
}
}
for(int i=0; i<nls; i++) {
lsqs[lsid[i]] = lssg[i];
lsql[lsid[i]] = lslg[i];
lsq[lsid[i]] = lse[i];
lst[lsid[i]] = lsts[i] + lssubts[i] - t0;
}
if(t1>40000 && t1<3.9e7) tout->Fill(); // 40us - 39 ms; 0.01 eV-10 keV
}
if((jentry) % Long64_t(1e5) == 0) {
printf("Process %.2f %%, %5d k / %5d k \r",
Double_t(jentry)/nentries*100.,int(jentry/1000), int(nentries/1000));
fflush(stdout);
}
}
cout<<endl;
tout->Write();
fout->Close();
}
- 将上述代码存成convert.C
- 在终端运行 root convert.C
- 程序运行生成ana354.root 文件
In [3]:
TFile *f1 = new TFile("ana354.root", "READ");
TTree *tree = (TTree *)f1->Get("tree");
PPAC的时间谱¶
- 在白光中子源的靶到PPAC的中子飞行时间谱
In [4]:
tree->Draw("ppact[0]>>h1(2000,40000,15e6)","");
c1->SetLogy();
c1->Draw();
中子俘获反应的中子能谱¶
- 可通过若干已知中子俘获反应共振峰的能量与测得的TOF的对应关系,拟合得到TOF的偏差T$_0$,以及实际飞行距离L。
- 经简单刻度，得到下列公式
- 将中子能谱(下图)用白光中子源发射的中子能量分布进行归一，可得到中子反应截面。
In [5]:
//PPAC En
tree->SetAlias("Enp0","72.3*56.4/ppact[0]*72.3*56.4/ppact[0]*1e6");
tree->Draw("Enp0>>henp(1000,5,1e2)","");
c1->SetLogx();
c1->Draw();
In [6]:
//LS En
tree->SetAlias("Enl0","72.3*56.4/lst[0]*72.3*56.4/lst[0]*1e6");
tree->Draw("Enl0>>henl(1000,5,1e2)","");
c1->SetLogx();
c1->Draw();
与已知中子反应截面比较¶
利用PPAC,LS时间信号得到的中子能谱与已知截面符合。
In [7]:
TCut cenp0 = "Enp0>5 && Enp0<100";
tree->Draw("ppace[0]:Enp0>>hpen(1000,5,100,1000,0,20000)",cenp0,"colz");
c1->SetLogy(0);
c1->SetLogz();
c1->Draw();
PPAC 多重性¶
- 液闪有关联信号的条件下，ppac的4重信号占70%！
In [8]:
tree->Draw("nppac","nls>0");
c1->SetLogx(0);
c1->Draw();
PPAC之间能量关联¶
- 不同PPAC单元之间呈现能量关联
- 每单元之间有镀Au的Mylar膜，可确保重离子不会在相邻单元上有响应。
- 造成关联的原因可能是电子学之间的感应或串扰(crosstalk)。
- 串扰的主要特征：
- 1.大信号有高多重性。
- 2.在多重信号中，测到带电粒子的探测单元具有最大幅度(在增益一致的前提下)。
In [9]:
tree->Draw("ppace[0]:ppace[1]>>(1000,0,60000,1000,0,60000)","","colz");
c1->SetLogx(0);
c1->Draw();
用不同方式表达上述二维关联图，可以更容易看清楚大范围数据的结构。¶
In [10]:
tree->SetAlias("pe0","TMath::Log(ppace[0])");
tree->SetAlias("pe1","TMath::Log(ppace[1])");
tree->Draw("pe0:pe1>>(1000,0,12,1000,0,12)","","colz");
c1->SetLogx(0);
c1->Draw();
特征1：大信号有高多重性。¶
In [12]:
tree->Draw("nppac:ppacem>>(1000,0,70000,4,0.5,4.5)","","colz");
c1->Draw();
In [13]:
tree->Draw("lse[3]:lsqs[3]/lsql[3]>>(100,0.8,1.2,400,0,6000","","colz");
c1->Draw();
未做PPAC幅度选择¶
In [14]:
//1-4重事件
TCut cls3p0 = "lsqs[3]/lsql[3]>0.94 && ppact[0]>0 && lst[3]>0";
tree->Draw("lst[3]-ppact[0]>>hm1a(100,-10,25)",cls3p0 && "nppac==1");
tree->Draw("lst[3]-ppact[0]>>hm2a(100,-10,25)",cls3p0 && "nppac==2");
tree->Draw("lst[3]-ppact[0]>>hm3a(100,-10,25)",cls3p0 && "nppac==3");
tree->Draw("lst[3]-ppact[0]>>hm4a(100,-10,25)",cls3p0 && "nppac==4");
hm4a->SetFillColor(6);
hm3a->SetFillColor(7);
hm2a->SetFillColor(8);
hm1a->SetFillColor(9);
In [15]:
auto hsa = new THStack("hsa","");
hsa->Add(hm1a);
hsa->Add(hm2a);
hsa->Add(hm3a);
hsa->Add(hm4a);
hsa->Draw();
c1->SetLogy();
c1->Draw();
选择最大幅度信号¶
In [16]:
//1-4重事件
TCut cls3p0m = cls3p0 && "ppacidm == 0";
tree->Draw("lst[3]-ppact[0]>>hm1(100,-10,25)", cls3p0m && "nppac==1");
tree->Draw("lst[3]-ppact[0]>>hm2(100,-10,25)", cls3p0m && "nppac==2");
tree->Draw("lst[3]-ppact[0]>>hm3(100,-10,25)", cls3p0m && "nppac==3");
tree->Draw("lst[3]-ppact[0]>>hm4(100,-10,25)", cls3p0m && "nppac==4");
hm4->SetFillColor(6);
hm3->SetFillColor(7);
hm2->SetFillColor(8);
hm1->SetFillColor(9);
In [17]:
auto hs = new THStack("hs","");
hs->Add(hm1);
hs->Add(hm2);
hs->Add(hm3);
hs->Add(hm4);
hs->Draw();
c1->SetLogy();
c1->Draw();
In [18]:
tree->Draw("ppace[0]:lst[3]-ppact[0]>>hm2(10,-10,25,200,0,20000)",
"lst[3]>0 && ppacidm ==0","");
c1->SetLogy(0);
c1->Draw();
In [19]:
tree->Draw("lse[3]:lst[3]-ppact[0]>>hm2(10,-10,25,200,0,2000)",cls3p0 && "ppacidm ==0","");
c1->SetLogy(0);
c1->Draw();
后续处理步骤¶
a). 验证其他ppac单元具有类似的特征。
- 当ppac最大幅度小于2000，有时最大幅度与次大幅度之间相差无几。如果用找最大值的做法将会导致一定的不确定性。
b). 对齐ppac的时间信号：
- 选定一个ls探测器，画出ls与不同ppac的gama飞行时间谱，得到每个ppac的时间修正系数$t_{pi}$。
c). 对齐ls探测器的时间信号：
- 仿照2的做法，得到每个ls的时间修正系数$t_{li}$
d). 对每轮数据，进行2-3步骤，得到修正系数$t_{pi}$,$t_{li}$。
- fluctuations of the signals’ leading edge are determined on a run-by-run basis (for each data file). Fluctuations of ±5 ns are observed and they are an artifact of the fast digital electronics.
[Ref.] Nuclear Inst. and Method. A 882 (2018) 105–113
- 每个run数据的修正系数不同，修正后的不同run数据才能叠加.
e). 对ls和ppac进行时间修正,利用ls的PSD选择中子事件：
- 画出所有ppac探测器与每一个ls探测器的ppace-tof(2D), lse-tof(2D)直方图。
- 选择合适的ppace和lse的能量阈值，画出tof(1D)直方图，将其转换成中子能谱。
f). 随机本底估计
- 利用负时间区域，确定偶然本底参数。
g). 散射本底估计
通过MC模拟确定环境(探测器外壳，周围环境)带来的本底成分。
修正前后的TOF谱对比¶
In [20]:
TFile *f2=new TFile("tof.root");
TH1F *htofraw = (TH1F*)f2->Get("dtlsppacallg");
TH1F *htofcor = (TH1F*)f2->Get("dtcorrlsppacall");
In [21]:
//所有ls与ppac的飞行时间谱(修正前)
htofraw->Draw();
c1->Draw();
In [22]:
//所有ls与ppac的飞行时间谱(修正后)
htofcor->Draw();
c1->Draw();
