劉伍豐 劉相滿, 唐述文 孫志宇 余玉洪 王 偉 陳若富方 芳 陳俊嶺 閆 鐸 張永杰 王世陶 章學(xué)恒 岳 珂陸建偉 周冰倩 趙亦軒

1（河南工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院 鄭州 450001）

2（中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000）

3（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 北京 100049）

4（武漢大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 武漢 430072）

5（武漢大學(xué)-國(guó)家天文臺(tái)聯(lián)合天文中心 武漢 430072）

γ射線天文是高能天體物理的重要分支，它的發(fā)展為我們研究宇宙打開(kāi)了一個(gè)新的科學(xué)窗口。近40年來(lái)，科學(xué)家們針對(duì)各個(gè)能區(qū)發(fā)射了一系列探測(cè)衛(wèi)星開(kāi)展γ射線天文研究，但目前對(duì)MeV能區(qū)γ射線的觀測(cè)能力即探測(cè)靈敏度相比于低、高能區(qū)差了2～3個(gè)量級(jí)，目前對(duì)于MeV能區(qū)的研究明顯落后于低能區(qū)與高能區(qū)（圖1）［1］。國(guó)際上在MeV能區(qū)唯一發(fā)射過(guò)一個(gè)γ射線探測(cè)衛(wèi)星COMPTEL［2-3］，該衛(wèi)星于1991年發(fā)射，由于其研制年代的各方面技術(shù)限制，使得其探測(cè)靈敏度較差（圖1）。但COMPTEL也已于2000年退役，自此之后的近20多年來(lái)，太空中一直沒(méi)有MeV能區(qū)的γ射線探測(cè)衛(wèi)星，導(dǎo)致仍然存在許多懸而未決的問(wèn)題，并且可能只有通過(guò)觀測(cè)該能區(qū)才能給出完整的解答，如：在過(guò)去的幾十年里一直觀測(cè)到過(guò)量的銀河系外和銀河系中心在0.2～100 MeV范圍內(nèi)的γ射線，特別是來(lái)自于正電子的γ射線，卻沒(méi)有清楚地表明它們的起源［4-5］。另外，觀測(cè)該能段的γ射線還可以在對(duì)致密物體（活動(dòng)星系核（Active Galactic Nuclei，AGN）、核坍塌和熱核超新星以及中子星等）理解方面取得重大進(jìn)展［4］。因此，開(kāi)展對(duì)MeV能區(qū)的γ射線探測(cè)具有重要的科學(xué)意義。

圖1 不同X和γ射線儀器的點(diǎn)源連續(xù)譜靈敏度Fig.1 Point source continuum sensitivity of different X-and γ-ray instruments

國(guó)際上普遍認(rèn)為使用基于康普頓散射原理研制的探測(cè)器對(duì)MeV能區(qū)的γ射線進(jìn)行觀測(cè)的方式是最為行之有效的，該類(lèi)探測(cè)器通常稱(chēng)為康普頓望遠(yuǎn)鏡［3，6-7］，其主要由徑跡探測(cè)器和量能器兩部分組成。通過(guò)探測(cè)康普頓散射過(guò)程產(chǎn)生的反沖電子與散射γ射線，可以測(cè)得入射γ射線的能量及方向。一個(gè)高性能的康普頓望遠(yuǎn)鏡，要求其具有高能量分辨率及高角度分辨率，同時(shí)還應(yīng)具有對(duì)弱源較高的探測(cè)本領(lǐng)，即探測(cè)靈敏度。為了滿足天文物理觀測(cè)需求，要求下一代康普頓望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)靈敏度能提高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)（圖1中虛線所示），且能量分辨率在1 MeV附近可達(dá)5%～6%，空間角度分辨率小于2°。這要求組成康普頓望遠(yuǎn)鏡的徑跡探測(cè)器和量能器均應(yīng)具有良好的能量分辨率和三維位置分辨率?？紤]多層雙面硅構(gòu)成的徑跡探測(cè)器是下一代康普頓望遠(yuǎn)鏡最佳選擇，其能量分辨率和位置分辨率遠(yuǎn)好于量能器。因此，康普頓望遠(yuǎn)鏡的總體性能主要由量能器的性能來(lái)決定。為了滿足下一代康普頓望遠(yuǎn)鏡的性能需求，要求量能器的能量分辨率要好于5%（1 MeV附近），三維位置分辨率優(yōu)于約10 mm。其中，為滿足位置分辨率要求，量能器必須采用陣列結(jié)構(gòu)，因此研究高能量分辨率及高位置分辨率的量能器探測(cè)單元，對(duì)于康普頓望遠(yuǎn)鏡的研究具有非常重要的意義。

近年來(lái)，在正電子發(fā)射斷層掃描（Positron Emission Tomography，PET）成像研究領(lǐng)域出現(xiàn)了一種利用雙光電器件耦合晶體條兩端的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的讀出。此種方式不僅可以得到高能量分辨率，而且還可以獲得沿晶體條方向的高位置分辨率［8-10］，這為設(shè)計(jì)具有高能量分辨率和高縱向位置分辨率的量能器提供了一種新思路?；谠撍悸诽岢鲆环N由多個(gè)雙端讀出的長(zhǎng)條形晶體組成陣列式結(jié)構(gòu)的量能器設(shè)計(jì)方案，采用這種結(jié)構(gòu)的量能器不僅能保證高能量分辨率和二維位置分辨率，而且還能提供沿單元條方向的位置分辨率。此外，這種雙端讀出的探測(cè)器構(gòu)型，對(duì)于減少電子學(xué)通道數(shù)目、降低成本也是極其有益的。

本文開(kāi)展對(duì)量能器基本探測(cè)單元的研究，設(shè)計(jì)并測(cè)試了一種高能量分辨率和位置靈敏的量能器探測(cè)單元，為下一代康普頓望遠(yuǎn)鏡的原理樣機(jī)的研制打下基礎(chǔ)。

1 探測(cè)單元結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 探測(cè)單元結(jié)構(gòu)

由于CsI（Tl）晶體具有光產(chǎn)額高、易加工、價(jià)格相對(duì)低廉、適合大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在地面以及空間γ射線探測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用［11-14］。而硅光電倍增管（Silicon Photomultiplier，SiPM）由于具有緊湊耐用、偏置電壓低、自身增益大（105～106）、時(shí)間響應(yīng)快、便于前端核電子學(xué)信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，成為近些年來(lái)最熱門(mén)的一種光電讀出器件［15-18］。本文設(shè)計(jì)的γ射線探測(cè)器，即量能器基本探測(cè)單元，將使用CsI（Tl）晶體作為探測(cè)介質(zhì)，使用近些年新興的SiPM作為光電轉(zhuǎn)換器件，另外，還選用了傳統(tǒng)的光電二極管（Photodiode，PD）和雪崩光電二極管（Avalanche Photodiode，APD）器件進(jìn)行比較測(cè)試，利用雙端讀出信號(hào)的方式來(lái)確定γ射線的總能量及在晶體中的擊中位置。探測(cè)單元的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

為了保證對(duì)MeV能區(qū)γ射線具有較高探測(cè)效率及較好的三維位置分辨率，選擇使用長(zhǎng)條形CsI（Tl）晶體作為探測(cè)介質(zhì)。CsI（Tl）晶體條由中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所生產(chǎn)，其尺寸為10 mm×10 mm×80 mm，晶體僅兩端表面做拋光處理。使用的光電轉(zhuǎn)換器件有PD、APD以及SiPM，均由日本濱松公司生產(chǎn)，其型號(hào)分別為 S3590-08（PD）、S8664-1010（APD）以及 S13360-6050CS（SiPM），利用 Eljen Technology公司的EJ-550型光學(xué)硅脂完成光電轉(zhuǎn)換器件與晶體條兩端的耦合。為了提高對(duì)閃爍光的收集效率，選用3M公司生產(chǎn)的ESR鏡面反射膜作為晶體表面的包裝材料。同時(shí)，為了減少環(huán)境雜散光子對(duì)探測(cè)單元的影響并提供一定的結(jié)構(gòu)支撐，在ESR膜以及光電轉(zhuǎn)換器件外還包裹了兩層Teflon膜。

圖2 探測(cè)單元結(jié)構(gòu)及工作原理圖Fig.2 Structure and working principle diagram of detection unit

1.2 探測(cè)單元工作原理

如圖2所示，當(dāng)γ射線與晶體發(fā)生相互作用后會(huì)在晶體內(nèi)沉積能量并產(chǎn)生一定數(shù)量的閃爍光光子，這些閃爍光通過(guò)與包裹在晶體表面的反射材料發(fā)生反射向晶體兩端傳播，在晶體中的傳播遵循指數(shù)形式衰減［19］：

式中：N0表示γ射線與晶體發(fā)生相互作用點(diǎn)產(chǎn)生的光子數(shù)；N（x）表示距相互作用點(diǎn)為x的光子數(shù)；λ表示閃爍光的衰減長(zhǎng)度，即光子數(shù)衰減到原來(lái)數(shù)目的1/e時(shí)的傳輸長(zhǎng)度。

假設(shè)晶體條的總長(zhǎng)度為L(zhǎng)，晶體條中心位置為x=0，γ射線與晶體的相互作用點(diǎn)距光電轉(zhuǎn)化器件1和2分別L/2+x和L/2-x，且γ射線與晶體相互作用點(diǎn)產(chǎn)生的光子數(shù)為Z0，光電轉(zhuǎn)換器件1和2分別測(cè)得的光子數(shù)為Z1和Z2，閃爍光在CsI（Tl）晶體中的衰減長(zhǎng)度為λ，則滿足關(guān)系：

從而有：

由于入射的γ射線能量Eγ與Z0是成正比的，光電轉(zhuǎn)換器件1和2分別測(cè)得的信號(hào)幅度，即E1和E2分別與Z1和Z2也是成正比的，所以有以下關(guān)系式：

式中：c為常數(shù)。根據(jù)式（5）可知，入射γ射線的總能量可以通過(guò)測(cè)量單元條兩端的信號(hào)幅度來(lái)得到。

構(gòu)建一個(gè)與兩端信號(hào)幅度相關(guān)的比值關(guān)系［20-21］：

式中：E1和E2分別表示左右兩端光電轉(zhuǎn)換器件所測(cè)到的信號(hào)幅度；k為常數(shù)，用來(lái)平衡兩端增益不一致的影響，即k值應(yīng)滿足當(dāng)γ射線的擊中位置在單元條中點(diǎn)時(shí)，E1=kE2。比值Ratio與γ射線實(shí)際的入射位置x成線性關(guān)系：

式中：g和b為常數(shù)。因此，γ射線在探測(cè)單元中的擊中位置也可以由單元條兩端的信號(hào)幅度大小來(lái)確定。

2 探測(cè)單元測(cè)試

利用放射源對(duì)探測(cè)單元進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)主要包括探測(cè)單元部分、γ射線放射源、光闌準(zhǔn)直器、暗箱、讀出電子學(xué)及數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。

圖3 探測(cè)單元測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of detection unit test system

實(shí)驗(yàn)選擇尺寸為?32 mm的137Cs γ射線放射源進(jìn)行測(cè)試，為了保證γ射線在晶體條上的入射位置精度，在放射源與晶體條之間放置一個(gè)鉛質(zhì)光闌作為放射源的準(zhǔn)直器，光闌的尺寸為80 mm×80 mm×50 mm，中間留有直徑為2 mm的小孔，放射源與光闌相互貼合，可整體左右移動(dòng)來(lái)照射晶體條的不同位置。長(zhǎng)條型晶體被均勻的標(biāo)記出7個(gè)照射位置，每?jī)蓚€(gè)位置間距10 mm，規(guī)定中間位置為x=0 mm處，則左右兩邊位置分別為：x=-10 mm、-20 mm、-30 mm及x=10 mm、20 mm、30 mm。為了避光并減少環(huán)境噪聲的干擾，測(cè)試過(guò)程中把整個(gè)探測(cè)單元模塊、放射源模塊及前置放大器放置到一個(gè)鋁合金材質(zhì)的暗箱中。同時(shí)為了消除溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響，整個(gè)測(cè)試過(guò)程在恒溫的環(huán)境下進(jìn)行。

由于PD自身沒(méi)有增益，APD自身增益較小（100左右），因此當(dāng)使用這兩種器件時(shí)，需要后接前置放大器，測(cè)試中所使用的前置放大器為中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所核電子學(xué)研究組研制。與前兩者相比，SiPM的自身增益較大（105～106），因此在使用時(shí)，不需要后接前置放大器。兩端信號(hào)從前置放大器或SiPM引出后，進(jìn)入ORTEC公司的主放大器572A，其進(jìn)行信號(hào)成形和進(jìn)一步放大處理。從572A引出兩路信號(hào)，一路為單極性信號(hào)，另一路為雙極性信號(hào)，其中單極性信號(hào)直接送入CAEN公司的V785N12位模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）進(jìn)行幅度信息采集與保存，而雙極性信號(hào)先利用PHILLIPS公司的744實(shí)現(xiàn)信號(hào)的反向，再進(jìn)入恒分甄別器CF8000中對(duì)信號(hào)做甄別處理，此后的兩端過(guò)閾信號(hào)被送入ORTEC公司的符合插件CO4020中，做邏輯與，得到的符合信號(hào)作為ADC進(jìn)行A-D轉(zhuǎn)換的觸發(fā)信號(hào)。數(shù)據(jù)采集采用的是VME數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。

3 結(jié)果與分析

3.1 能量分辨率

圖4給出了當(dāng)137Cs放射源照射CsI（Tl）晶體條中點(diǎn)位置時(shí)，分別采用PD、APD以及SiPM作為晶體條兩端的光電轉(zhuǎn)換器件，所得到的總能譜，該能譜是根據(jù)晶體條兩端的幅度信息由式（5）計(jì)算得到?？梢灾庇^地看出讀出器件為PD時(shí)探測(cè)單元的能量分辨率最差，APD次之，SiPM的結(jié)果最好。此外，使用光電轉(zhuǎn)換器件為APD和SiPM時(shí)，可以看到32 keV的X射線峰，且采用SiPM時(shí)看得更清晰。

圖4 利用放射源照射晶體條中間位置時(shí)，分別采用PD(a)、APD(b)以及SiPM(c)讀出的能譜Fig.4 The readout spectra from PD(a),APD(b)and SiPM(c)when radiated in the middle of crystal bar

同樣，當(dāng)利用137Cs放射源分別照射單元條上標(biāo)記的7個(gè)位置時(shí)，可以得到每個(gè)位置下采用PD、APD和SiPM作為光電轉(zhuǎn)換器件的能譜。通過(guò)對(duì)662 keV的全能峰進(jìn)行擬合，得到探測(cè)單元的能量分辨率如圖5所示。

可以看出，使用三種不同的光電器件時(shí)，探測(cè)單元的能量分辨率差別明顯，其中由好到差依次為：SiPM、APD、PD。分別采用三種不同的光電轉(zhuǎn)換器件時(shí)，探測(cè)單元的7個(gè)照射位置的平均能量分辨率由表1給出。對(duì)于PD，平均能量分辨率為13.5%，該結(jié)果略好于文獻(xiàn)［19］中的14.5%和文獻(xiàn)［22］給出的16%，與文獻(xiàn)［18］中的測(cè)試結(jié)果相當(dāng)；對(duì)于APD，平均能量分辨率約為7.6%，與文獻(xiàn)［19］中給出的7.63%相當(dāng)；對(duì)于SiPM，平均能量分辨率可達(dá)5.9%。由此可得出，耦合SiPM的探測(cè)單元相比于其他兩 種，可以實(shí)現(xiàn)最佳的能量分辨率。

圖5 使用不同光電轉(zhuǎn)換器件時(shí)，探測(cè)單元的能量分辨率與照射位置的關(guān)系Fig.5 Variation of the energy resolution along the bar for different photoelectric converters

表1 使用不同光電轉(zhuǎn)換器件時(shí)，探測(cè)單元的能量分辨率、位置分辨率和光衰減長(zhǎng)度a)Table 1 Energy resolution,position resolution and light attenuation length for the detection unit read out by different photoelectric converters

3.2 位置分辨率

根據(jù)晶體條兩端的幅度信息由式（6）可以計(jì)算得到Ratio值，圖6左側(cè)三幅圖分別表示采用PD、APD及SiPM作為光電器件，在7個(gè)不同位置放置放射源時(shí)探測(cè)單元計(jì)算得到的Ratio譜。對(duì)每個(gè)位置的Ratio譜進(jìn)行擬合，可以得到相應(yīng)的峰位及半高全寬。圖6右側(cè)三幅圖分別表示相應(yīng)光電器件的Ratio峰位隨放射源照射位置的變化關(guān)系，其中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的誤差棒為相應(yīng)Ratio譜的FWHM。從右側(cè)三幅圖中可以看出，耦合不同光電器件下的探測(cè)單元，Ratio值與照射位置之間的線性都非常好，通過(guò)線性擬合，可以得到Ratio值與照射位置之間的函數(shù)關(guān)系，則γ射線在探測(cè)單元中的擊中位置可以根據(jù)此函數(shù)關(guān)系由Ratio值計(jì)算得到。而位置分辨率亦可根據(jù)該函數(shù)關(guān)系由Ratio譜的FWHM值計(jì)算得到。

圖6 使用不同光電轉(zhuǎn)換器件時(shí)，7個(gè)照射位置的Ratio分布（左）以及Ratio值與實(shí)際照射位置的關(guān)系（右）Fig.6 The distribution of the Ratio values at 7 positions along the bar for different photoelectric converters(left),and the relationship between the Ratio value and actual irradiation position(right)

圖7 給出了分別采用PD、APD以及SiPM作為光電器件時(shí)，探測(cè)單元的位置分辨率與放射源照射CsI（Tl）晶體條不同位置的關(guān)系。從圖7中可以看出，分別耦合三種光電器件的晶體探測(cè)單元的位置分辨率差別明顯。在使用PD、APD和SiPM的情形下，探測(cè)單元的7個(gè)照射位置的平均位置分辨率分別為：14.3 mm、7.8 mm和6.0 mm?？紤]到準(zhǔn)直器的2 mm孔徑，可得到探測(cè)單元的固有位置分辨率（表1）。采用SiPM時(shí)的位置分辨率最好，達(dá)到5.7 mm；采用APD時(shí)的位置分辨率中等，為7.5 mm；采用PD時(shí)的位置分辨率最差，僅為14.2 mm。

3.3 光衰減長(zhǎng)度

如圖8所示，分別采用PD、APD和SiPM作為探測(cè)單元的光電轉(zhuǎn)換器件，探測(cè)單元兩端所得到的能譜及總能譜中的全能峰峰位（662 keV）隨放射源照射位置的變化曲線。考慮到探測(cè)單元兩端信號(hào)的增益不一致，采用一端信號(hào)乘系數(shù)k的方法來(lái)加以平衡，其中k值由γ射線的擊中位置在單元條中點(diǎn)時(shí)兩端的信號(hào)幅度之比確定。對(duì)于γ射線照射其他位置時(shí)，均采用相同的k值來(lái)修正探測(cè)單元兩端的增益差。從圖8的三幅圖中均可以看出，當(dāng)變化放射源的照射位置時(shí)，探測(cè)單元兩端測(cè)得的全能峰位置變化明顯，說(shuō)明閃爍光在CsI（Tl）晶體中衰減是比較明顯的。通過(guò)擬合全能峰峰位隨放射源照射位置的變化曲線，可以得到閃爍光在CsI（Tl）晶體中光衰減長(zhǎng)度。對(duì)兩端的光衰減長(zhǎng)度數(shù)據(jù)求平均，得到閃爍光在CsI（Tl）晶體中的平均光衰減長(zhǎng)度。將采用三種不同光電轉(zhuǎn)換器件時(shí)，求得的閃爍光在CsI（Tl）晶體中的平均衰減長(zhǎng)度列入表1中?？梢缘贸觯N器件分別耦合CsI（Tl）晶體時(shí)，光衰減長(zhǎng)度差別不大，均在157～173 mm。

圖7 使用不同光電轉(zhuǎn)換器件時(shí)，探測(cè)單元的位置分辨率與照射位置的關(guān)系Fig.7 Variation of the position resolution along the bar for different photoelectric converters

圖8 使用不同的光電轉(zhuǎn)換器件時(shí)，探測(cè)單元的單端能譜及總能譜峰位隨照射位置的變化Fig.8 Variation of the peak position of single-end spectrum and total spectrum along the bar for different photoelectric converters

3.4 模擬驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的量能器基本探測(cè)單元性能是否滿足下一代康普頓望遠(yuǎn)鏡的靈敏度要求，我們將所得到的探測(cè)單元的性能參數(shù)作為康普頓望遠(yuǎn)鏡量能器的性能配置參數(shù)，使用目前國(guó)際上最通用的MeV能區(qū)γ射線天文探測(cè)器模擬軟件MEGAlib（The Medium Energy Gamma-ray Astronomy library）［23］對(duì)所設(shè)計(jì)的康普頓望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了整體模擬。

MEGAlib最初是為 MEGA（The Medium Energy Gamma-ray Astronomy）［6］望遠(yuǎn)鏡所開(kāi)發(fā)的軟件，它是使用 C++語(yǔ)言并基于 ROOT［24］和 Geant4［25］編寫(xiě)的一個(gè)開(kāi)源軟件包。可用于中能段（幾百keV到幾十MeV）γ射線探測(cè)器的模擬及數(shù)據(jù)分析。

本文為模擬驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的康普頓望遠(yuǎn)鏡基本幾何模型如圖9所示。該望遠(yuǎn)鏡的徑跡探測(cè)器是由40層相同的雙面硅組成，每層雙面硅的平面面積為100 cm×100 cm，厚度為0.05 cm，每面的條數(shù)為2 000，層間距為0.5 cm；量能器由10 000根1 cm×1 cm×8 cm的碘化銫晶體條排列而成，整個(gè)陣列尺寸為100 cm×100 cm×8 cm，量能器的上表面距徑跡探測(cè)器的下表面10 cm；此外，為了排除帶電粒子的干擾，在最外面還設(shè)計(jì)了一個(gè)反符合探測(cè)器。

在模擬階段，我們把三種探測(cè)單元性能參數(shù)分別作為康普頓望遠(yuǎn)鏡模型中的量能器性能配置參數(shù)，其他部分的設(shè)置參數(shù)都相同。分別使用511 keV、847 keV、1 157 keV、1 809 keV和6 130 keV的單能γ射線點(diǎn)源垂直于探測(cè)器照射。此外，由于宇宙空間中除了目標(biāo)源放射出的γ射線外，還存在各種雜散γ射線，以及各種帶電粒子，這就構(gòu)成了康普頓望遠(yuǎn)鏡探測(cè)時(shí)的本底環(huán)境。因此在模擬探測(cè)器的同時(shí)我們構(gòu)建了本底環(huán)境。對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后得到如圖10所示的模擬結(jié)果。從圖10中可以看出，使用SiPM耦合長(zhǎng)條形CsI（Tl）晶體量能器性能配置參數(shù)的康普頓望遠(yuǎn)鏡可以達(dá)到最好的靈敏度，同時(shí)，與圖1中給出的下一代康普頓望遠(yuǎn)鏡所要求的靈敏度相比，此結(jié)果達(dá)到了其靈敏度要求。

圖9 康普頓望遠(yuǎn)鏡的基本幾何模型Fig.9 The basic geometric model of the Compton telescope

圖10 使用三種量能器性能參數(shù)的康普頓望遠(yuǎn)鏡模擬結(jié)果Fig.10 Simulation results of the Compton telescope using three kinds of performance parameters of the calorimeter

4 結(jié)語(yǔ)

量能器作為康普頓望遠(yuǎn)鏡重要的組成部分，應(yīng)具有良好的能量分辨率和三維位置分辨率。為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于雙端讀出且具有良好的能量分辨率和位置分辨率的長(zhǎng)條形10 mm×10 mm×80 mm CsI（Tl）晶體的量能器探測(cè)單元。利用137Cs源放射出的662 keV的γ射線進(jìn)行測(cè)試，比較了在選用PD、APD和SiPM三種光電轉(zhuǎn)換器件下，探測(cè)單元的能量分辨率、位置分辨率及光衰減長(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用SiPM匹配CsI（Tl）晶體的探測(cè)單元可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的性能，能量分辨率可達(dá)5.9%，位置分辨率約為5.7 mm。對(duì)于光衰減長(zhǎng)度，三種情況下的結(jié)果差別并不明顯，均在157～173 mm。另外，將單元測(cè)試結(jié)果作為康普頓望遠(yuǎn)鏡的模擬輸入?yún)?shù)，并對(duì)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果表明：本文設(shè)計(jì)的探測(cè)單元能夠很好地滿足康普頓望遠(yuǎn)鏡的靈敏度要求。另外，考慮到SiPM自身容易出現(xiàn)飽和現(xiàn)象且性能受溫度影響較大。因此，必須考慮SiPM的線性動(dòng)態(tài)范圍及溫度效應(yīng)對(duì)量能器性能的影響。文獻(xiàn)［26］已對(duì)同類(lèi)型SiPM的線性動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果顯示：能量到達(dá)25 MeV時(shí)，SiPM的線性還非常好。因此，可以將SiPM應(yīng)用到探測(cè)范圍在幾百個(gè)keV到十個(gè)MeV附近的下一代康普頓望遠(yuǎn)鏡的量能器上。此外，為了消除溫度對(duì)SiPM性能的影響，在設(shè)計(jì)及研制下一代康普頓望遠(yuǎn)鏡時(shí)，應(yīng)考慮溫控或溫度修正。