基于塑料闪烁体的新型低能带电粒子量能器研究

We describe the design of a position sensitive plastic scintillator calorimeter developed for charged particle measurements. The detector sensitive to electrons in the 0.5-4MeV and proton in the 10-45MeV energy range and has imaging and energy measurement capabilities. The detection principle is based on multiple elastic particles scatterings in organic scintillator. The detector presented here utilizes double-coordinate array(i.e., two orthogonal layers) of Plastic wavelength shifting (WLS) fibers tracker with silicon photomultipliers (SPM) readout. Measurement of position distribution of incident particles will be used to correct the spatial inhomogeneity of light collection from scintillator. The linearity and resolution of energy will improve after the correction. The colorimeter is made from a plate of plastic scintillator. At the upper and lower surface of plastic scintillator eight wavelength shifting (WLS) fibers are bonded into grooves with regular pitch and orthogonal orientations. The WLS fibers are read out by 32-channel SPMs and the plastic scintillator is read out by four PMTs, as well as electronics and a data acquisition system (DAQ). The signals emerging from the SPMs are read out by one piece of application specific integrated circuit (ASIC). Using a custom-developed Monte Carlo code based on the GEANT4 package, we expect energy resolution can be reached 10% at 2 MeV e-, position resolution can be reached 4mm at 2 MeV e-.

针对带电粒子（电子：0.5-4MeV，质子：10-45MeV），使用基于塑料闪烁体的具有粒子定位能力的量能器，同时研究带电粒子的能谱和入射位置。它使用x-y交叉排列的多根波长位移光纤耦合硅光电倍增管读出得到带电粒子的入射位置信息，同时在塑料闪烁体的四个顶角耦合小型光电倍增管读出闪烁光，获得带电粒子的能量信息。从而利用带电粒子的入射位置信息对测量能量进行修正，进一步提高探测器的能量分辨。研制的探测器设计使用一块100mm×100mm×20mm的塑料闪烁体耦合4个光电倍增管，并在塑料闪烁体上下表面x-y方向各铺设8根波长位移光纤，16根光纤两端耦合32路硅光电倍增管读出，配以相应的电子学和数据获取系统。设计探测器的能量分辨<10%@2MeV e-；位置分辨<4mm@2MeV e-。

带电粒子探测已经成为空间科学研究的主要手段之一。在国外像PAMELA、GLAST、AMS02 和CALET 等空间粒子探测器正朝着具有多粒子、多信息、高速大动态范围的复合型探测器方向发展。在国内空间带电粒子探测领域，多信息、复合型探测器的研究进展缓慢。本课题研究了一种基于塑料闪烁体的新型位置灵敏带电粒子量能器。针对带电粒子（电子：0.5-4MeV，质子：10-45MeV），使用基于塑料闪烁体的具有粒子定位能力的量能器，同时研究带电粒子的能谱和入射位置。它使用x-y交叉排列的多根波长位移光纤耦合硅光电倍增管读出得到带电粒子的入射位置信息，同时在塑料闪烁体的四个顶角耦合小型光电倍增管读出闪烁光，获得带电粒子的能量信息。利用带电粒子的入射位置信息对测量能量进行修正，进一步提高探测器的能量分辨。探测器使用了一块100mm×100mm×20mm的塑料闪烁体耦合4个光电倍增管，并在塑料闪烁体上下表面x-y方向各铺设8根波长位移光纤，光纤两端耦合硅光电倍增管读出，配以相应的电子学和数据获取系统。探测器的能量分辨达到9.4%@2MeV e-；位置分辨达到1.7mm@2MeV e-。项目的顺利完成为下一步复合型探测器的大规模研究打下了基础，也为今后国内空间带电粒子探测项目以及高能物理量能器研究领域的应用打下了基础。