成像型电磁量能器关键技术研究

The imaging electromagnetic calorimeter has the promising application prospects in collider particle experiment or space particle detection. Thanks to the new detection technologies and the associated front end electronics, the whole calorimeter can be divided into the highly granular cells, with very fine size in both dimensions of horizontal and vertical. The cells can tracking the secondary particles created by the shower, and provide the particles’ detailed position information. The imaging electromagnetic calorimeter can achieve the finer energy resolution than the traditional calorimeter, lies in the fluctuations occurring in the measured quantity, even the detection cells of the imaging electromagnetic calorimeter offer the poorer resolution. Two approaches are possible to measure the incident energy: by measuring the energy deposited (analogue approach), or by measuring the number of charged particles (digital approach). The scintillator strips coupling with the photoelectric device, or the matrix of the semiconductor detectors can be the candidates for the active medium of the analogue approach. And the Monolithic Active Pixel Sensors can constitute the active medium of the digital approach. We proposal to research on those key technologies, primarily on the analogue approach with digital approach as a supplement. The main contents include: selecting the appropriate approaches with simulation, testing the available detector units, developing the generic front end electronics whenever possible, designing of the flexible and scalable readout electronics system, and then building the small scale physics prototype for cosmic and beam test. Through the research, we expect to acquire the key technologies of the imaging electromagnetic calorimeter, offer the options whenever there is the requirement in our nation’s future accelerator spectrometer or space particle detection.

成像型电磁量能器在地面加速器型粒子物理实验、空间科学粒子探测装置中都有着重要的应用前景。利用新的探测技术配合读出电子学，将量能器的整体分割成细颗粒度单元，使之具有较高的横向和纵向颗粒度，跟踪簇射产生的次级粒子，提供高能粒子簇射过程的详细位置信息。即使单个探测单元能量分辨率不足，也可借助其统计量优势而得到弥补，最终实现比传统量能器更高的能量分辨指标。目前成像型电磁量能器有条状闪烁材料配合光读出或半导体探测器阵列作为灵敏层的模拟式实现方法，或MAPS像素型探测器作为灵敏层的数字式实现方法等方向。我们希望以模拟式为主、兼顾数字式方法的跟踪，开展相关关键技术的研究，选择合适的技术方向，进行仿真、探测器选型测试，并设计尽可能通用、且可方便大规模扩展的读出电子学系统，并组成原理模型，进行宇宙线、加速器束流实验。通过基金研究掌握相关关键技术，为未来我国未来大型加速器谱仪或空间粒子探测装置做技术预研。

成像型电磁量能器在未来大型加速器粒子物理实验中有着重要的应用前景。利用新的探测技术配合读出电子学，将量能器的整体分割成细颗粒度单元，使之具有较高的横向和纵向颗粒度，跟踪簇射产生的次级粒子，提供高能粒子簇射过程的详细位置信息。即使单个探测单元能量分辨率不足，也可借助其统计量优势而得到弥补，最终实现比传统量能器更高的能量分辨指标。本项目计划开展不同技术路线的研究，最终选取合适路线研制细颗粒度成像型量能器原理样机进行实验检验。经过五年研究，项目组分别完成了硅-钨和闪烁体-钨两种模拟式成像量能器设计方案，和基于MAPS的数字式成像量能器方案的详细仿真和参数研究；对SIPIN、闪烁体和SiPM、MAPS等器件分别进行了单元性能测试；对应各探测器方案设计和改进了相应的前端读出电子学；搭建了4层灵敏层的硅-钨桌面验证小系统和多层的闪烁体-钨桌面原理样机验证小系统；发展了适用于不同技术路线及规模的通用、可扩展读出电子学架构。在此基础上，选定闪烁体-钨的技术路线研制了30层5 mm × 5 mm位置分辨的原理样机，并进行了长时间的宇宙线测试，在北京正负电子对撞机上的E3束线进行了束流实验，证实可在束流环境下正常工作。此外，以掌握的MAPS读出技术为基础，应用到束流望远镜的设计中，在德国DESY进行了3次束流调试，现已在该实验束投入使用，有望在国内外推广。项目组还将所掌握的设计方法拓展应用至CEPC合作组模拟式强子量能器的预研工作中；发展的通用可扩展电子学系统用于塑闪-SiPM、或基于大面积Micromegas的宇宙线缪子成像装置研制中。基于研究工作，已发表有基金标注的期刊论文13篇，国际国内会议报告30余个，培养博士毕业生5位，博士后出站1位。此外，项目负责人、课题一负责人分别获得国家杰出青年科学基金资助、优秀青年科学基金资助。