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大科学装置半导体探测器系统
- 衍文(Yanwen) 刘(Liu) (USTC)
- 来林 徐
大科学装置半导体探测器系统
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随着我国半导体探测技术的发展，探测器的位置精度等性能指标越来越高，利用粒子测试束线开展半导体探测器的测试需求也越来越旺盛。然而由于国内的测试环境的空缺，导致我国半导体探测器的测试严重依赖国外装置。近日，我国首条1.6 GeV质子测试束线（HPES）随着CSNS-II工程的开工，正式进入建设阶段。该束线能够为用户提供专用的1.6 GeV质子测试束流：一方面，为满足探测器性能测试需求，HPES能够提供极弱的“准单粒子束流”；另一方面，为满足探测器辐照测试需求，HPES还能提供最大1E7 p/s的质子脉冲束。同时，为了协助用户更好地开展束流测试，HPES为用户配建了束流望远镜、质子能量测量系统等多套束流束测设备。本报告主要介绍HPES的束流参数、束流设备以及未来开展的实验计划。
DarkSHINE is a newly proposed fixed-target experiment initiative to search for the invisible decay of Dark Photon via missing momentum signatures, based on the high repetition rate electron beam to be deployed/delivered by the Shanghai High repetition rate XFEL and Extreme light facility (SHINE). Among the various detector subsystems, the tracking system is positioned at the forefront, playing...
CEPC硅径迹探测器总表面积约100平方米，覆盖带对电粒子径迹的测量范围从1 GeV以下到100 GeV及以上能区，同时实现高动量孤立径迹的测量和喷流中的中低动量径迹的精确测量，动量分辨率需达到千分之一量级的精度。作为我国目前最大、最复杂的硅径迹探测器系统，集成了先进的像素和微条探测器、电子学模块、机械和冷却结构。目前探测器的技术性设计报告（Ref-TDR）初步完成，预计将于今年上半年向全球发布。该报告将详细介绍CEPC硅径迹探测器的设计、系统研发现状、以及未来规划。
强流重离子加速器装置（HIAF）是我国重离子科学研究的重要平台。目前，HIAF正在建设多个重大物理实验终端，包括中国电子-离子对撞机（EicC）、高能终端谱仪等。在这些项目中，单片有源像素传感器（MAPS）被广泛应用于顶点探测器和径迹探测器。专为HIAF顶点探测器设计的Nupix-A系列传感器，可提供精确的位置测量。该系列最新一代芯片采用128×128像素阵列，像素间距为30μm。其集成了带SPI接口的数模转换器（DAC）阵列，以及工作频率达40 MHz的数字控制逻辑。针对该芯片开展了一系列的实验室电学测试、放射源测试、激光测试，并于哈尔滨工业大学空间环境地面模拟装置开展了对质子束流的响应测试。本报告将重点介绍HIAF物理实验终端顶点探测器研发及测试的最新进展。
阿尔法磁谱仪AMS-02实验是人类目前唯一在太空运行的磁谱仪，对反物质、暗物质等重大科学问题具有不可替代的意义。基于其高产出的物理成果和潜力，AMS预计运行至2030年并进行探测器升级。AMS的硅径迹探测器升级是在原有的探测系统外增加一层新的基于硅微条技术的探测器。此升级项目拟在提供超长（96cm）、高精度（≤10um）和低物质量的空间硅微条探测器。利用高精度龙门（gantry）系统，本项目攻克了大行程、高精度的硅微条探测器批量化装配的关键技术，在国际上研制出了单元模块最长、对齐位置精度最高的空间实验硅微条探测模块。本报告将展示AMS升级项目中的硅微条模块生产和平面组装的最新进展和核心技术，也将展示多次束流实验得到的探测器性能。
单片有源像素探测器（MAPS）广泛应用于物理实验的探测系统，包括STAR实验、ALICE实验等。针对背景束粒子入射顶点探测器形成的海量命中，拟采用智能化单片有源像素探测器（Smart MAPS）完成Cluster入射角度的重建，实现背景束粒子命中的标记和筛除，降低系统数据量。本报告介绍了cluster找寻、特征提取算法及神经网络模型的设计，展示了该方案针对一款单片有源像素探测器芯片命中数据的入射角度重建结果，并与复杂神经网络模型重建结果进行了对比和分析。
高颗粒度时间探测器（HGTD） ，将于 ATLAS phase II 升级中安装于 ATLAS 探测器的前向区域，通过以五十皮秒的时间分辨率测量带电粒子的时间信息， 从而抑制堆叠效应。 工程样机（demonstrator） 集成了探测器、前端电子学芯片、外围电子学板、二氧化碳冷却板、后端读出电子学，以及相应的数据采集与探测器控制软件。 通过整体运行对探测器在实际运行环景下各部件功能， 部件间连接情况， 以及完整探测器系统进行测试。 数据获取系统依托于后端电子学接收探测器回传的数据进行解码， 并依据触发编号进行数据聚合， 并永久存储到服务器磁盘。 工程样机也为数据获取系统提供了开发及测试平台。
束流望远镜作为高能物理实验中的关键探测装置，可精确测量目标探测器探测效率和本征位置分辨率等关键参数，为粒子探测器标定及束流特性分析提供重要实验依据。单片有源硅像素传感器具有高位置分辨、高集成度、快响应时间、低噪声以及低物质量的优点，在束流望远镜设计中展现出独特应用价值。作者所在中科大团队与德国电子同步加速器实验室(DESY)合作研发新型硅像素束流望远镜系统，完成了一套6层ALPIDE组成的原型系统的设计并成功开展了两次束流实验。原型系统实现了200kHz触发率、99.8%探测效率与小于4.2×10-6/event的误击中率，对6GeV实验束的径迹分辨率可达3.11μm，其各项指标均达到了新型硅像素束流望远镜系统的相关设计要求。目前正在研制基于TaichuPix3硅像素传感器Zynq...
X 射线成像望远镜（X-ray Imaging Telescope, XIT）作为太阳极轨天文台（Solar Polar Observatory, SPO）的科学载荷之一，主要承担太阳 X 射线观测任务，采用双光栅调制成像的方式实现对硬 X 射线的探测，实现对全日面爆发事件的监测与小尺度活动的 X 射线能谱获取。XIT载荷结构包括前端的准直器和后端的量能器，量能器部分包括42个硬X射线探头和2个软X射线探头，分别由碲锌镉探测器和硅漂移探测器两类探测器组成。本报告将介绍XIT载荷的基本结构和工作原理，并对量能器部分的计划和进展进行汇报。
LGAD探测器是一种具有超高时间分辨率的半导体探测器，此外，它还具有mm级单通道尺寸、增益层薄、抗辐照性能好的特点。这种性能优秀的探测器在加速器束流应用中具有非常好的应用前景。本报告介绍作者在中国散裂中子源开展的LGAD探测器的三方面研究工作。首先是基于LGAD探测器的高能质子能量测量系统的研制。目标是对质子能量实现1%分辨率的测量。其次是基于LGAD探测器的新型μSR谱仪设计，预计能显著提升脉冲型μ子源上开展μSR技术应用的潜力。最后是LGAD探测器在白光中子源零度角上的应用研究。
