Digitised charged-particle discrimination in CsI detector signals
(2022) FYSK02 20221Nuclear physics
Department of Physics
- Abstract
- This work is aimed at improving the discrimination of protons and α particles in digitised signals from CsI(Tl) scintillators. This has been achieved using pulse-shape discrimination, wherein the shape of the pulses is used to learn which particle is detected. Two primary methods have been implemented and compared, namely, the charge-comparison method where the ratio between the integrals of two different regions of the pulse is calculated, and the cosine similarity measure which indicates the similarity to a reference pulse. The work has demonstrated improvements of up to 20 % in certain detector elements over the pre-existing method which utilised a simple version of the charge-comparison method. In the future, it may be beneficial to... (More)
- This work is aimed at improving the discrimination of protons and α particles in digitised signals from CsI(Tl) scintillators. This has been achieved using pulse-shape discrimination, wherein the shape of the pulses is used to learn which particle is detected. Two primary methods have been implemented and compared, namely, the charge-comparison method where the ratio between the integrals of two different regions of the pulse is calculated, and the cosine similarity measure which indicates the similarity to a reference pulse. The work has demonstrated improvements of up to 20 % in certain detector elements over the pre-existing method which utilised a simple version of the charge-comparison method. In the future, it may be beneficial to explore machine learning algorithms to further improve and automate the discrimination process. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- För att förstå atomkärnans struktur är det framgångsrikt att studera exotiska kärnor med ett skevt förhållande mellan antalet protoner och neutroner. Sådana kärnor är dock mycket instabila och således svåra att bilda och analysera. Ett sätt att skapa dem är genom fusion-evaporationsreaktioner, då två kärnor kollideras och därvid sammansmälter. Den nybildade kärnan sönderfaller ögonblickligen genom emission av protoner, neutroner, alfapartiklar och gammastrålning. Av särskilt intresse är gammastrålningen, eftersom fotonernas energi återspeglar energinivåerna i den exotiska kärnan. För att kunna lista ut vilken kärna som faktiskt bildas vid en reaktion behöver emellertid de andra sönderfallsprodukterna först identifieras. Detta kräver en... (More)
- För att förstå atomkärnans struktur är det framgångsrikt att studera exotiska kärnor med ett skevt förhållande mellan antalet protoner och neutroner. Sådana kärnor är dock mycket instabila och således svåra att bilda och analysera. Ett sätt att skapa dem är genom fusion-evaporationsreaktioner, då två kärnor kollideras och därvid sammansmälter. Den nybildade kärnan sönderfaller ögonblickligen genom emission av protoner, neutroner, alfapartiklar och gammastrålning. Av särskilt intresse är gammastrålningen, eftersom fotonernas energi återspeglar energinivåerna i den exotiska kärnan. För att kunna lista ut vilken kärna som faktiskt bildas vid en reaktion behöver emellertid de andra sönderfallsprodukterna först identifieras. Detta kräver en komplex experimentell uppställning där flera olika detektorer samverkar.
För att specifikt detektera laddade partiklar såsom protoner och alfapartiklar kan scintillationsdetektorer utnyttjas. En scintillator är ett material som avger ljus när den träffas av en inkommande partikel. Detta ljus kan omvandlas till elektriska signaler som amplifieras och lagras digitalt. Signalerna från protoner och alfapartiklar är något annorlunda, vilket gör det möjligt att urskilja de båda partikeltyperna med en teknik som kallas pulsformsdiskriminering. Syftet med arbetet som presenteras här är att förbättra separationen genom att optimera hur pulsformen analyseras.
Metoden som var implementerad före detta arbete innefattar att integrera två olika delar av pulsen. Kvoten mellan dessa båda areor är då en indikator för partikeltypen. Gränserna för integrationen har tidigare satts ganska godtyckligt och varit desamma för alla detektorer. Inom ramen för detta arbete kan olika integrationsgränser användas för olika detektorer. Vidare har en alternativ metod implementerats och analyserats, varvid pulserna som uppmäts jämförs med en referenspuls genom ett likhetsmått kallat cosinuslikhet. Därtill har en metodik för att utvärdera prestandan hos de olika metoderna formulerats och tillämpats.
Datan som detta arbete utgår ifrån har samlats in vid ett experiment på Argonne National Laboratory under sommaren 2020. Vid experimentet användes Microball, en detektoruppsättning av tallium-aktiverade CsI-scintillationsdetektorer och det är pulserna därifrån som analyserats. Genom att effektivisera urskiljningen av protoner och alfapartiklar är det möjligt att producera förbättrade gammaspektra tillhörande de atomkärnor som bildades vid reaktionen. I förlängningen kan detta förhoppningsvis bidra till nya slutsatser om atomkärnans struktur. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9086774
- author
- Persson, Mats Bror Linus LU
- supervisor
-
- Dirk Rudolph LU
- Yuliia Hrabar LU
- organization
- course
- FYSK02 20221
- year
- 2022
- type
- M2 - Bachelor Degree
- subject
- keywords
- Microball, Gammasphere, pulse-shape discrimination, scintillator, charge-comparison method, cosine similarity, exotic nuclei, fusion-evaporation reaction, Argonne National Laboratory
- language
- English
- id
- 9086774
- date added to LUP
- 2022-06-13 09:07:51
- date last changed
- 2022-06-13 09:07:51
@misc{9086774,
abstract = {{This work is aimed at improving the discrimination of protons and α particles in digitised signals from CsI(Tl) scintillators. This has been achieved using pulse-shape discrimination, wherein the shape of the pulses is used to learn which particle is detected. Two primary methods have been implemented and compared, namely, the charge-comparison method where the ratio between the integrals of two different regions of the pulse is calculated, and the cosine similarity measure which indicates the similarity to a reference pulse. The work has demonstrated improvements of up to 20 % in certain detector elements over the pre-existing method which utilised a simple version of the charge-comparison method. In the future, it may be beneficial to explore machine learning algorithms to further improve and automate the discrimination process.}},
author = {{Persson, Mats Bror Linus}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Digitised charged-particle discrimination in CsI detector signals}},
year = {{2022}},
}