基于硅漂移探测器和闪烁晶体的双模式读出的空间伽玛暴探测器研究

This project is based on the future gamma-ray burst detection technology with full energy range coverage. The idea is to use silicon drift detector and scintillation crystal coupled readout. The baseline idea is to use silicon drift detector to measure low-energy X-ray directly, at the same time , use the same silicon drift detector to collect the fluorescence emitted by scintillation crystal for hard X-ray and Gamma-ray indirectly detection. The fast sampling technology is used to analyze the time and energy information obtained by direct and indirect measurements in real time. Finally, the two types of signals are discriminated and the high energy resolution coverage in the energy range of 1keV~5MeV is realized. By choosing a feasible technical route, the design of dual-mode readout detectors for silicon drift detectors and scintillator crystals can be completed, the design of electronic readout system and on-orbit real-time screening algorithm are completed, and a low-power, low-noise electronic scheme is developed. It is hoped that through the research of this project, a new type of detection technology which can realize the coverage of gamma-ray burst omnipotence can be established.

本项目以未来伽玛暴全能段覆盖的探测技术为研究背景，希望可以在对伽玛暴进行高精度测量的同时，兼顾软X射线的测量，拟使用硅漂移探测器和闪烁晶体读出的方式实现，基本思路是对低能X射线使用硅漂移探测器进行直接测量，对于硬X射线和伽玛射线使用硅漂移探测器收集闪烁晶体发出的荧光，进行间接测量。拟采用快速波形采样技术，通过对直接测量和间接测量方式得到的时间信息、能量信息进行实时分析，最终实现对这两种类型信号的甄别算法，实现对1keV~5MeV能量范围的高能量分辨率的覆盖。通过选定可行的技术路线，完成可应用于空间项目的硅漂移探测器与闪烁晶体双模读出的探测器设计，完成电子学读出系统的设计和在轨实时甄别算法，开发出低功耗、低噪声的电子学方案。希望通过本项目的研究，能够建立一种新型的能够实现伽玛暴全能段覆盖的探测技术。

本项目以用于空间项目为应用背景，拟通过对硅漂移探测器的快时间分辨的快速波形采样技术的研究，以及闪烁晶体在硅漂移探测器中光沉积的分析，开展基于硅漂移探测器和快发光晶体的双模耦合读出的研究。.通过本项目的研究，能够建立一种新型的能够覆盖~1KeV 至5MeV的空间X射线、Gamma射线探测器，并开发于之相适应的电子学部件。.本项目从模拟仿真、读出系统搭建和性能测试等多个方面，进行了基于硅漂移探测器和快发光晶体的双模耦合读出的研究。.（1）用于双模读出模式下的硅漂移探测器的特性研究.本课题首先对硅漂移探测器的工作原理进行研究，并对通过对直接测量模式的研究，结合不同闪烁晶体的固有能量分辨率的间接入射测量模式的研究，对量子效率的估算，对漂移时间的研究，对弹道亏算的研究，以及对电子学读出系统噪声的估算，最终选用了300um厚度的硅探测器，以及增益为260mV/MeV（Si）的前端电子学。.（2）分析低能X射线直接沉积在SDD上的信号输出与SDD收集的到的闪烁晶体发光的信号输出。.之后本课题通过模拟以及相应的计算，使低能X射线直接沉积和高能X射线、Gamma射线间接探测这两种模式的动态范围能相互重叠，最终可以实现~1kev-5MeV的全能区覆盖。具有微秒时间分辨功能的硅漂移探测器和快发光晶体的双模式耦合读出系统的制备研究。通过计算，直接沉积在硅上的信号，时间长数为100ns，而闪烁体发光并漂移后的信号，时间长度约为800ns。.（3）基于前置放大器专用集成电路及高速波形采样的宽能域电子学的制备研究.本课题通过使用自研的前端读出电子学和前端放大电路，对直接沉积在SDD上的低能X射线信号和SDD间接吸收的闪烁晶体内发光的信号进行高效率的区分。但是受制于的功能，本设计并没有实现多通道的读出，而是采用单路高速波形采样的方式进行信号的读出和采集。.本课题最终使用了300um厚度的硅探测器，分别匹配了LaBr3、GAGG、LYSO进行了测试，并在50kev处区分了这两种模式输出的信号，得到了甄别后的能谱。.（4）用于空间项目的SDD双模式读出单元的性能研究.本设经过多次迭代与优化，已经计实现了小型化和低功耗化，后续还将进行辐照测试、温度循环测试和力学测试。