基于聚焦望远镜的硬X射线焦平面偏振探测器研究

The X-ray polarization measurements offer a unique opportunity for the study of geometry and locale of the magnetic field in the compact objects, especially the spectropolarimetric observations. Recent technology progress of multi-layer hard X-ray focusing optics has opened up the possibility to design a hard X-ray Compton polarimeter with high sensitivity. The hard X-ray polarimeter is designed as a compact focal plane detector with low cosmic background, such as the upcoming balloon borne mission X-Calibur. However, the previous designed Compton polarimeters like X-Calibur have poor detection efficiency at low energy, poor resolution at high energy and poor sensitivity below 30keV. This is mainly due to high Compton scatter trigger threshold as the long plastic scintillator rod is designed to read out at one end. In this context we optimize the hard X-ray polarimeter design to reduce the trigger threshold, optimize the energy resolution at low energy and the Mininum Detectable Polarization(MDP). As optimization, we utilized the stacked cubic plastic scintillators array to replace the long plastic scintillator rod. The cubic plastic scintillators are aligned along the incidence direction of the hard X-rays. Each cubic plastic scintillator is read out by two SiPMs in coincidence. As this optimization of design, we can rebuild the azimuthal and polar angles of the Compton scatter photons simultaneously. We try to optimize conventional Compton polarimeter analysis by the Maximum Likelihood analysis which uses the two scatter angles to optimize the MDP.

X射线偏振观测是研究高能天体辐射区域局部磁场以及辐射区域本身空间几何位形的理想工具，特别是偏振与能谱联合观测具有重要的科学意义。近年来随着硬X射线聚焦望远镜技术的进步，基于Compton效应建立高灵敏度的硬X射线偏振测量仪成为可能。将硬X射线偏振测量仪作为聚焦望远镜的焦平面探测器，可以减小探测器尺寸有效地降低空间本底，从而实现高灵敏度的偏振与能谱联合观测，如气球实验X-Calibur。但目前的硬X射线偏振测量仪采用塑料闪烁体棒单端读出方式导致康普顿散射触发阈值较高，低能段的探测效率低、高能段的能量分辨以及最小可测偏振度较差、可测能量下阈大于30keV。本项目拟将塑料闪烁体棒沿X射线入射方向细分成多块小的立方体实现散射极角测量，使用双SiPM符合读出的方式降低触发阈值、提升低能段的探测效率，同时基于康普顿相机原理优化能量分辨，并利用极大似然法建立偏振测量算法改善最小可测偏振度。

X射线偏振观测是研究高能天体辐射区域局部磁场以及辐射区域本身空间几何位形的理想工具，特别是偏振与能谱联合观测具有重要的科学意义。近年来随着硬X射线聚焦望远镜技术的进步，基于Compton效应建立高灵敏度的硬X射线偏振测量仪成为可能，并实现高灵敏度的偏振与能谱联合观测。本项目的研究内容是研制一套聚焦X射线偏振望远镜的原理样机并对性能进行测试。. 我们采用塑料闪烁体作为中心散射体，CZT像素型探测器作为全吸收探测器设计了一套测量能段覆盖20~80keV范围的硬X射线焦平面偏振探测器，并利用TPC的光电原理测量3~15keV的软X射线偏振，两者结合可以测量3~80keV范围的X射线偏振。我们基于Geant4的模拟计算对Crab的1Ms偏振观测灵敏度在3~80keV优于2%。基于此我们提出了“宽波段X射线能谱与偏振卫星（WXPT）”的概念,实现3keV~500keV范围的软伽马射线偏振测量。. 我们基于4块256像素的CZT探测器模块，4块256通道的ASIC读出电子学以及一个直径10mm,长度25.4mm的塑料闪烁体棒搭建了硬X射线偏振探测器的八分之一原理样机，探测效率只有20%左右。利用241Am、57Co以及137Cs测试了偏振探测器原理样机性能，发现1024个像素中坏的探测器像素为20，在122keV的实测平均能量分辨率为4.76keV，分布范围在3.66keV~7.3keV之间，超过90%像素在122keV的能量分辨都优于7.9keV。利用准直的57Co放射源作为非偏振光源，照射到CZT探测器中心的塑料闪烁体棒，测到了几何因子引起的调制曲线，验证了偏振探测器的偏振测量能力。. 我们采用241Am、57Co以及137Cs搭建了一套偏振光源，能量范围涵盖了50~500kev、偏振度0.1~0.8, 在72.5cm的位置测得的出射光流强在0.3cts/cm2到2.4cts/cm2之间。我们采用双端SiPM读出的方式研制了一套塑料闪烁体探测器原理样机，符合读出可以将SiPM的暗噪声计数率从100kcps的量级降低到10cps以下，并能将探测下阈降低到20keV左右。为了实现塑料闪烁体的稳定读出，我们基于稳压二极管设计了SiPM的温度补偿电路，可以将SiPM的温漂系数从2.8%/℃降到0.32%/℃。