新型位置灵敏带电粒子量能器研究

R&D of a new type position sensitive charged particle calorimeter. This detector with imaging and energy measurement capabilities, is sensitive to charged particle. The calorimeter consists of six position sensitive plastic scintillator modules and one layer of CsI(Tl) crystal. Each of the plastic scintillator module with a dimension of 200mm (length)×200mm(width)×20mm(thickness) is looked through by its own four PMTs. The signal of PMTs are used to get the information of particle energy. At the same time, the Scintillation light produced in each monolithic block of plastic scintillator is collected by 32 enenly spaced double-coordinate array (i.e.,two orthogonal layers) of wavelength shifting (WLS) optic fibers (16 x-fibers and 16y-fibers), and piped to silicon photomultipliers (SPM). Position in formation is extracted from the optic fiber mesh. At the bottom of detector, the CsI(Tl) crystal layer is composed of four CsI(Tl) crystal modules with a dimension of 100mm(length) ×100mm(width) ×30mm(thickness). The CsI(Tl) crystal modules were used to detect gamma ray of energy lost in bremsstrahlung. This detector can reconstruct the image of their source to determine particle locations and energy. The direction and energy spectrum of incident particles can be determined and discrete sources identified. This detector sensitive to electrons in the 1-30MeV and proton in the 10-150 MeV energy range. Using a custom-developed Monte Carlo code based on the GEANT4 package, we could expect 10% energy resolution for >5 MeV electrons and 2mm position resolution for >5MeV electrons.

研制一种新型的位置灵敏量能器，同时探测带电粒子的入射能量和入射位置。它使用多层的闪烁体结构，探测器设计包含6层塑料闪烁体单元和底部的一层CsI(Tl)晶体。其中塑料闪烁体单元是由一块在四个角各自耦合一个光电倍增管读出的塑料闪烁体（尺寸200mm×200mm×20mm）构成，通过读取这些光电倍增管的信号获得带电粒子的能量信息；并在塑料闪烁体上下表面x-y方向各镶嵌16根波长位移光纤，光纤单端耦合硅光电倍增管读出，获得带电粒子的位置信息。在探测器的底层是四块CsI(Tl)晶体（单元尺寸100mm×100mm×30mm），用于增加对韧至辐射产生的γ射线的收集能力。探测器可以同时重建带电粒子的入射位置、能量和入射角度。此量能器可以探测带电粒子（电子：1-30MeV，质子：10-150MeV），预计探测器的能量分辨<10%@5MeV e-；位置分辨<2mm@5MeV e-。

目前国、内外的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。在空间带电粒子探测以及空间x/γ探测领域，多信息、复合型探测器也是为了急需发展的方向。本课题研究了一种新型的位置灵敏量能器，同时探测带电粒子的入射能量和入射位置。它使用多层的闪烁体结构，通过闪烁体上下表面x-y方向的波长位移光纤以及四个角的光电倍增管组成信号读出，可以同时重建带电粒子的入射位置、能量和入射角度。在探测器的底部是四块CsI(Tl)晶体，用于增加对韧至辐射产生的γ射线的收集能力。大密度的闪烁晶体增加了探测器对电子和质子的测量范围，提升的探测器的能量分辨。此复合型量能器可以探测带电粒子（电子：1-30MeV，质子：10-150MeV），探测器的能量分辨<9.3%@5MeV e-；位置分辨<1.8mm@5MeV e-。在项目研究的过程中发展了SiPM在低温（～-30℃）下的使用技术、量能器耦合SiPM的技术以及多路读出的信号输出的新型空间应用技术，并成功的将其应用到了空间粒子探测中。从模拟和测试的结果看，新型的位置灵敏量能器性能良好，工作稳定，在实现粒子位置、能量的测量外也可以实现粒子的鉴别。项目的顺利完成为未来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、空间x/γ探测领域以及高能物理量能器研究领域的应用打下了基础。