用于空间宇宙线和暗物质观测的微光超快成像探测系统研究

A semi-digital 3D-imaging calorimeter is proposed for the direct observation of cosmic ray and indirect observation of dark matter in orbit. Compared with traditional calorimeters composed of orthogonal scintillator strips, our design need no extra hodoscopes and can maintain accuracy of reconstructed energy despite partial energy leak of the shower. Therefore, larger geometric factor and higher energy range can be achieved taking the advantages of this novel design..The low light level imaging and ultrafast detection system, which is composed of image intensifier and large-area CCD, is the important part of this calorimeter. The system, having the function of intensifying, delaying, imaging and storaging, can make rapid response to the signals from tens of thousands of wavelength shifting fibers of the 3d-imaging calorimeter. Using the semi-digital information reconstruction method, the infomation of particle type, energy and direction can be obtained..By solving some key technologies including coupling between each optical parts, low noise imaging with high-frame-rate and large-area CCD, the high speed gating system of image intensifier, a 1/9 prototype of the low light level imaging and ultrafast detection system will be built. The prototype is expected to meet the requirements: detection capability of 1/2 MIPS particle and maximum of linear dynamic range. Gound test of the prototype and the calorimeter will be carried out. Performances verification of the system will be made by the new semi-digital 3d-imaging method.

我们提出一种用于在轨宇宙线直接观测和暗物质间接观测的半数字型三维成像量能器。与传统的条形正交结构量能器相比，三维成像量能器无需额外的方向测量探测器，可实现大几何因子；允许局部能量泄露而不损失能量测量能力，可有效扩展探测能区,从而充分利用探测资源。. 微光超快成像探测系统作为半数字量能器的重要组成部分，将像增强器与大面积CCD耦合，能实现对量能器数万路波长转移光纤的微光超快信号的快速响应、增强、延迟、成像、存储等。利用半数字三维成像方法可得入射粒子的能量、强度、方向和粒子类型信息。. 本项目以满足1/2MIPs粒子的弱光探测需求和系统线性范围最大化为着眼点，通过光学部件耦合工艺、高帧频大面阵低噪声成像电路技术、像增强器阴极高速脉冲选通技术等关键技术的解决，计划建成微光超快成像探测系统1/9原理样机一台，建立半数字三维成像算法，并完成样机性能的地面验证。

针对传统量能器方案不足，提出一种用于在轨宇宙线直接观测和暗物质间接观测的三维成像量能器，将应用于载人航天工程HERD项目。与传统的条形正交结构量能器相比，三维成像量能器无需额外的方向测量探测器，可实现大几何因子；允许局部能量泄露而不损失能量测量能力，可有效扩展探测能区,从而充分利用探测资源。. 微光超快成像探测系统作为新型量能器的重要组成部分，将像增强器与大面积CCD耦合，能实现对量能器数万路波长转移光纤的微光超快信号的快速响应、增强、延迟、成像、存储等。利用三维成像方法可得入射粒子的能量、强度、方向和粒子类型信息，彻底解决原有量能器读出系统体积庞大、重量重、无法实现三维成像量能器海量信号读出需求的难题。. 项目以满足1/2MIP粒子的弱光探测需求和系统线性范围最大化为着眼点，重点开展量能器颗粒晶体探测器的输出光学特性，光锥耦合组件的设计及耦合工艺、高速低噪声大动态范围CCD成像电路的研究及研制、像增强器阴极高速脉冲选通技术、信息重建方法等五方面的研究。研制出单路微光超快成像探测系统1/9原理样机一台，所有技术指标均符合合同所列的关键指标要求，其中弱光探测能力≤10P.E/fiber*µs，强光探测能力>3000P.E/fiber*µs，像增强器时间延迟小于50ns，CCD帧频达到406.2f/s，均优于技术指标要求。与高能所研制的量能器实验装置构成量能器探测系统，已经在欧洲CERN完成地面验证实验两次，实验结果对仪器指标进行了进一步验证，并根据实验结果不断的对仪器的性能进行优化和提升，第二次欧洲束流实验表明，量能器的能量分辨率达到1.3%，并将继续优化实验方案，预期能量分辨率达到1%。微光超快成像探测系统的成功研制保障了原型样机欧洲束流实验的顺利进行，验证HERD方案及性能指标的正确性，推动HERD项目立项。. HERD项目代表了我国及国际上的宇宙线、暗物质探测最高技术水平，微光超快成像探测系统彻底解决了大量高速弱光信号信号读出问题，攻克了关键技术难题。其具有重要科学意义，将为国际上宇宙线、暗物质探测提供珍贵经验，弥补目前探测手段的探测能区空白。