双读出量能器用改性钨酸铅晶体及其双读出测量研究

传统的强子量能器中吸收体和灵敏层交替排列，灵敏层探测强子在吸收体中反应的产物，其分辨率不能满足国际直线加速器（ILC）的物理需要。近来有实验和研究组针对ILC强子量能器应用发展了双读出技术，即只采用一种合适的探测材料，但同时探测闪烁光及切伦科夫辐射信号，来提高强子分辨率。.钨酸铅(PWO)晶体由于其高密度、极快衰减时间、抗辐照和低成本等特点已成功应用于多个电磁量能器装置。本项目拟通过材料设计对钨酸铅进行掺杂改性及后处理退火，使其荧光发光峰值波长红移，吸收截止边波长紫移，并通过上海硅酸盐所独有的多坩埚下降法晶体制备技术，研制可用于双读出探测的具有短吸收边和绿发光的新型改性钨酸铅晶体；结合中国科学技术大学近代物理系高能粒子探测技术，研究以钨酸铅晶体为探测材料的双读出测量方法与技术，并进行宇宙射线等粒子探测，为解决钨酸铅晶体在强子量能器中的应用及其双读出探测技术中的关键基础问题进行前瞻性的探索。

近来有实验装置针对ILC强子量能器应用发展了双读出技术，即采用合适的探测材料同时探测闪烁光及切伦科夫辐射信号能够有效提高强子的能量分辨率。.本项目基于国际直线对撞机（ILC）中概念强子量能器用双读出探测关键技术，围绕着解决双读出探测用新型改性钨酸铅晶体及其测量技术的创新研究中所存在的关键基础问题，通过对于掺杂改性钨酸铅晶体的制备研究、晶体性能研究及其双读出探测测量研究，全面实现了预期的研究目标。.本项目组通过制备工艺及原料配比的精细化改进，发展了上海硅酸盐所的多坩埚下降法晶体制备技术，研制成功了超大截面（fi55*180 mm）及超长尺寸（202*192*326 mm）掺杂钨酸铅晶体，后者已成功应用于日本CALET深空暗物质探测器。通过材料设计对晶体进行掺杂改性及相应后处理工艺，已使其发光中心波长明显红移，其吸收边波长有所紫移，并初步阐明了其物理模型；该技术已应用于PANDA实验装置用钨酸铅晶体制备，其性能获得装置负责人肯定。通过制备技术及材料设计上的突破，本项目组已获得了可应用于双读出探测的具有短吸收边及绿发光的新型改性钨酸铅晶体，并建立了基于5*5钨酸铅闪烁晶体阵列(晶体尺寸30*30*220mm）的双读出粒子探测系统。结合中国科学技术大学高能粒子探测技术，在Monte Carlo方法研究钨酸铅晶体双读出探测器测试模型行为的基础上，已初步建立钨酸铅晶体双读出粒子探测的测量方法及技术，其切伦科夫与荧光信号比达到预期目标。.此外，本项目组在解决钨酸铅晶体及其双读出技术应用的关键基础问题中，还发展了硅酸铋（Bi4Si3O12）闪烁晶体材料，目前已能获得最大为20*20*200mm的体材料。该晶体综合闪烁性能类似于BGO晶体，但其发光快（衰减时间100ns），成本低（小于BGO晶体的50％），透过好（吸收边波长约为290nm），加工性能好（不易开裂）。目前看来其在双读出技术上的应用潜力还要高于钨酸铅晶体。.通过本项目的顺利研究，项目组在双读出探测用闪烁晶体（钨酸铅、硅酸铋）研制上已掌握了高性能掺杂改性技术及相应的下降法制备技术，所研制的掺杂钨酸铅晶体已应用于国外探测器装置；项目组建立了基于掺杂钨酸铅晶体的双读出探测装置，在双读出测量方法及探测技术上也取得了突破性进展，为将来强子量能器双读出技术的发展及应用打下了坚实的实践及理论基础。