ICCD在三維成像量能器讀出系統(tǒng)中的應(yīng)用

權(quán)征 王志剛 王俊靜 董永偉 白永林 鮑天威 劉鑫 李然 李勇 吳伯冰 王瑞杰 王樂(lè) 王博 閆鵬 徐明 張力

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ICCD在三維成像量能器讀出系統(tǒng)中的應(yīng)用

權(quán)征1,3王志剛2王俊靜1,3董永偉1白永林4鮑天威1劉鑫1李然4李勇4吳伯冰1王瑞杰1王樂(lè)4王博4閆鵬4徐明1張力1

1（中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所粒子天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100049） 2（中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100049） 3（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京100049） 4（中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所 西安710119）

在宇宙線空間探測(cè)領(lǐng)域，三維成像量能器具有大幾何因子和較強(qiáng)的粒子鑒別能力，因而具有廣泛的應(yīng)用前景。但是與二維量能器相比，其讀出路數(shù)更多，電子學(xué)更復(fù)雜。增強(qiáng)電荷耦合器件(Intensified charge-coupled device, ICCD)比傳統(tǒng)的光電器件集成度高、體積小、功耗低、發(fā)熱量低，正適合用于三維成像量能器的大規(guī)模讀出，改善資源利用率。本工作主要討論了ICCD在三維成像量能器方案中的應(yīng)用，介紹了ICCD線性、光強(qiáng)分辨率測(cè)試結(jié)果以及對(duì)串?dāng)_進(jìn)行修正的方法，最后給出使用歐洲核子中心(European Organization for Nuclear Research, CERN)提供的10 GeV電子束進(jìn)行束流照射實(shí)驗(yàn)得到的能量重建結(jié)果，初步驗(yàn)證了ICCD用于三維成像量能器讀出系統(tǒng)的可行性。

光斑，線性，串?dāng)_，束流實(shí)驗(yàn)，能量重建

在空間探測(cè)宇宙線實(shí)驗(yàn)中，量能器主要用于能量探測(cè)、粒子鑒別、粒子角度重建等。由于衛(wèi)星、空間站等平臺(tái)分配給各載荷的資源極其有限，因此十分有必要對(duì)量能器設(shè)計(jì)進(jìn)行多次優(yōu)化，充分利用有限資源得到最好的性能。與傳統(tǒng)的采用多層條形正交結(jié)構(gòu)、光電器件兩端讀出設(shè)計(jì)的二維量能器（例如AMS02 ECAL[1]、FermiLAT Calorimeter[2]等）相比，三維成像量能器采用小顆粒立方體晶體組成探測(cè)陣列，對(duì)稱性較高，多面靈敏，在相同的體積和重量下幾何因子（有效面積對(duì)立體角的積分）有了數(shù)量級(jí)的提升，可在相同的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)積累更多數(shù)據(jù)，更精確地獲得粒子簇射的三維形貌信息，提高粒子鑒別能力。

但三維結(jié)構(gòu)需要更大規(guī)模的讀出路數(shù)，如果使用光電倍增管(Photomultiplier Tube, PMT)、光電二極管(Photodiode, PD)等讀出器件，電子學(xué)復(fù)雜度增加，重量、體積、功耗也會(huì)隨著量能器規(guī)模成比例增大。而增強(qiáng)電荷耦合器件(Intensified charge- coupled device, ICCD)讀出的設(shè)計(jì)可極大地簡(jiǎn)化電子學(xué)：由光纖將每個(gè)探測(cè)單元的閃爍光引出，并匯聚到ICCD讀出。ICCD可直觀地給出包含所有光斑的灰度值圖像，再根據(jù)光斑灰度值重建晶體沉積能量。這種設(shè)計(jì)集成度高，占用空間小，功耗小，并且發(fā)熱器件集中，能夠更容易地解決散熱問(wèn)題，有效地提高了資源利用率。中國(guó)規(guī)劃中的空間探測(cè)項(xiàng)目——高能宇宙輻射探測(cè)設(shè)施(High Energy cosmic Radiation Detection, HERD)將使用三維成像量能器的設(shè)計(jì)[3]，實(shí)現(xiàn)對(duì)高能宇宙線核子、電子、g光子的高精度探測(cè)并在其運(yùn)行時(shí)間內(nèi)積累足夠的數(shù)據(jù)，在研究暗物質(zhì)和宇宙線起源、傳播等科學(xué)問(wèn)題上發(fā)揮重要作用。

雖然ICCD在量能器大規(guī)模讀出方面有較好的應(yīng)用前景，但是目前只有很少數(shù)ICCD用于量能器數(shù)字讀出的經(jīng)驗(yàn)，例如基于高空氣球的PPB-BETS(Balloon-borne Electron Telescope with Scintillating fibers flown by Polar Patrol Balloon)[4]。三維成像量能器需要從ICCD圖像得到每路輸出信號(hào)的幅度，因此對(duì)ICCD的線性、光強(qiáng)分辨率、串?dāng)_特性等直接影響能量重建的性能有更高的要求，有必要設(shè)計(jì)樣機(jī)和實(shí)驗(yàn)對(duì)ICCD性能以及重建算法進(jìn)行深入研究，并驗(yàn)證其用于三維成像量能器讀出的可行性。

1 ICCD系統(tǒng)

ICCD系統(tǒng)主要包括像增強(qiáng)器(Image Intensifier, I.I.)、光學(xué)耦合系統(tǒng)、電荷耦合器件(Charge-Coupled Device, CCD)系統(tǒng)三個(gè)部分，如圖1所示。ICCD探測(cè)原理為：入射光子在像增強(qiáng)器的光陰級(jí)處通過(guò)光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電子，電子在電場(chǎng)加速下通過(guò)微通道板(Microchannel Plate, MCP)時(shí)發(fā)生倍增，倍增后的電子激發(fā)熒光屏發(fā)光，再由CCD系統(tǒng)完成圖像的采集、處理和輸出。

圖1 典型的ICCD系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

本工作使用的ICCD系統(tǒng)由中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所研制[5]。其中像增強(qiáng)器采用英國(guó)Photek公司的MCP225[6]，窗口尺寸為?25 mm，光陰級(jí)敏感波長(zhǎng)范圍為200?900 nm，量子效率為12%@500 nm波長(zhǎng)，最大增益可達(dá)106。MCP225采用P20型熒光屏，發(fā)光衰減時(shí)間為1 ms（光輸出從峰值降到1%峰值所需時(shí)間）。CCD圖像傳感器為中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所研制的高幀頻分裂幀轉(zhuǎn)移CCD[7]，整個(gè)CCD尺寸為300×400像素(Pixel)，每個(gè)像素大小為26 μm×26 μm，輸出灰度值范圍為0–4095。整個(gè)ICCD系統(tǒng)的最大有效幀頻為400 s?1。耦合方式采用效率較高的光錐耦合，縮比10:3。

在三維成像量能器方案中，ICCD系統(tǒng)使用外觸發(fā)工作模式。整個(gè)工作流程為：1) 像增強(qiáng)器先處于開(kāi)啟等待狀態(tài)；2) 粒子擊中探測(cè)器產(chǎn)生熒光，一部分熒光被采用PMT讀出的觸發(fā)系統(tǒng)采集并產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)發(fā)送給ICCD，另一部分熒光到達(dá)通過(guò)波長(zhǎng)位移光纖(Wavelength Shifting Fiber, WLSF)被ICCD收集，觸發(fā)到達(dá)延遲約為200 ns；3) 觸發(fā)到達(dá)ICCD后控制器發(fā)出指令關(guān)閉像增強(qiáng)器，同時(shí)CCD開(kāi)始曝光采集；4) CCD采集完畢，像增強(qiáng)器重新打開(kāi)處于等待狀態(tài)。

由于觸發(fā)延遲的存在，利用1 ms左右的熒光屏光衰減時(shí)間進(jìn)行光路延遲，可以保證大部分光子被CCD收集，以及時(shí)間相鄰的事例信號(hào)不重疊。

2 HERD原理樣機(jī)簡(jiǎn)介

HERD原理樣機(jī)是三維成像量能器方案的實(shí)際應(yīng)用，其設(shè)計(jì)目的正是為了用束流照射實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方案的可行性。樣機(jī)包含（圖2）：

1) 晶體陣列：由5×5×10個(gè)3 cm邊長(zhǎng)立方體形晶體組成長(zhǎng)方體陣列，規(guī)模約為在軌方案的1/40，采用柵格狀碳纖維支撐結(jié)構(gòu)，柵格壁厚為1 mm；相鄰晶體間距在三個(gè)方向上不同，分別為0.2cm、0.3 cm（束流方向）、0.5 cm（豎直方向）；

2) 鋁合金制暗箱；

3) 兩套ICCD：低量程ICCD (ICCD_L)與高量程ICCD (ICCD_H)分別探測(cè)不同能段，二者信號(hào)大小平均相差40倍左右；

4) 觸發(fā)系統(tǒng)：用PMT作為讀出設(shè)備，收集所有探測(cè)單元輸出的光子并產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。

圖2 HERD原理樣機(jī)

樣機(jī)探測(cè)單元由3 cm×3 cm×3 cm大小的立方形硅酸釔镥(Lutetium-Yttrium Oxyorthosilicate, LYSO)晶體（樣機(jī)使用的LYSO由蘇州晶特晶體科技有限公司生產(chǎn)）、WLSF以及外部包裹的增強(qiáng)鏡面反射膜(Enhanced Specular Reflector, ESR)組成。晶體產(chǎn)生的閃爍光子由加工成螺旋狀的WLSF（型號(hào)：BCF91A，直徑0.3 mm）引出到陣列外，共引出三路，分別為低量程(WLSF_L)、高量程(WLSF_H)以及觸發(fā)路(WLSF_T)。圖3為螺旋WLSF實(shí)物照片。低量程螺旋圈數(shù)為10，引出到ICCD_L；高量程與觸發(fā)路為同一根WLSF的兩端，螺旋圈數(shù)為1，分別引出到ICCD_H和觸發(fā)系統(tǒng)的PMT。

WLSF可將晶體發(fā)出的藍(lán)光轉(zhuǎn)化為ICCD 更靈敏的綠光（發(fā)射譜峰值波長(zhǎng)為500 nm左右），同時(shí)改善光收集均勻性。但是WLSF吸收轉(zhuǎn)化效率較低，為了保證最終的光輸出，需要使用高光產(chǎn)額的晶體。LYSO晶體密度較高，光產(chǎn)額與NaI(Tl)接近，同時(shí)具有快發(fā)光、不潮解、溫度效應(yīng)低等優(yōu)點(diǎn)[8?9]，近年來(lái)得到了越來(lái)越多的關(guān)注。使用LYSO作為靈敏材料的HERD原理樣機(jī)縱向厚度達(dá)到26輻射長(zhǎng)度或1.5核相互作用長(zhǎng)度，這種規(guī)?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)250 GeV電子95%以上能量吸收，以及400 GeV 質(zhì)子35%左右能量吸收[10]。

圖3 加工成螺旋狀的WLSF (a) 低量程WLSF單端引出，(b) 高量程、觸發(fā)WLSF雙端引出

從陣列引出的WLSF固定在光纖接頭并以1mm的間距密排（圖4），光纖接頭與ICCD端窗緊貼，每個(gè)接頭都匯聚了250路WLSF。圖5為ICCD采集的一幀圖像，包含了所有WLSF產(chǎn)生的光斑（已扣除背景灰度值），光源來(lái)自LYSO內(nèi)部自發(fā)放射性（Lu176衰變）產(chǎn)生的本底[11]。1 mm間距對(duì)應(yīng)約12個(gè)像素，被定義為一個(gè)光斑距離(f)。大部分相鄰光斑之間的距離為1f，為了研究光斑擴(kuò)散規(guī)律，少部分WLSF被排布在距離其它光纖2f或更遠(yuǎn)的位置以減少串?dāng)_效應(yīng)。由于BCF91A采用雙包層結(jié)構(gòu)，漏光率低，并且每一根WLSF在距離晶體陣列較近的引出端都使用黑色塑料套管進(jìn)行了避光處理，因此與光斑圖像串?dāng)_相比，漏光造成的串?dāng)_可忽略不計(jì)。

圖4 光纖接頭 (a) 低量程，(b) 高量程，(c) 觸發(fā)

圖5 ICCD采集的一幀包含所有250路光纖所產(chǎn)生光斑的圖像

3 ICCD性能測(cè)試

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

ICCD測(cè)試系統(tǒng)如圖6所示，由雙路脈沖發(fā)生器同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩只激光二極管(Laser diode, LD)照射單根WLSF，通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)脈沖的幅度來(lái)獲得不同強(qiáng)度的光輸出。使用兩只LD的目的是為了用雙光源對(duì)比法測(cè)量ICCD的線性[12]。

圖6 ICCD測(cè)試系統(tǒng)示意圖

3.2 光斑灰度值計(jì)算

ICCD將從光纖輸出的光子數(shù)信息轉(zhuǎn)化為灰度值信息，我們需要從灰度值圖像中提取出各路光纖的光輸出。考慮到光斑在圖像上的分布范圍會(huì)隨著光強(qiáng)變化，而多路光纖在有限的面積里密排，相互之間很有可能存在串?dāng)_現(xiàn)象，因此比較合理的方法是各路光斑在各自固定的范圍內(nèi)統(tǒng)計(jì)灰度值（串?dāng)_修正方法參考§3.4）。

光斑灰度值(g,s)是與光纖輸出光子數(shù)成正比的量，被定義為以光斑重心為圓心、半徑為5.5個(gè)像素的圓內(nèi)所有像素灰度值的和。光斑重心的計(jì)算方法為：

式中：c、c為光斑重心；x、y為像素坐標(biāo)；P為像素的灰度值。重心計(jì)算統(tǒng)計(jì)范圍選取1f×1f正方形。

3.3 ICCD探測(cè)下限

用于探測(cè)高能宇宙線的三維成像量能器使用在軌采集的最小電離事例(Minimum ionizing particle, MIP)對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行刻度。對(duì)HERD原理樣機(jī)的探測(cè)單元，1 MIP相當(dāng)于30 MeV為探測(cè)下限。這就需要調(diào)整像增強(qiáng)器增益、CCD增益等工作參數(shù)，使ICCD能夠以較高的精度測(cè)量最低至30 MeV的信號(hào)，同時(shí)保證可使用的動(dòng)態(tài)范圍不被過(guò)度壓縮。

ICCD存在多種噪聲來(lái)源，例如LYSO固有的放射性、各光電轉(zhuǎn)換器件的發(fā)射噪聲、CCD的暗電流、讀出噪聲等，最終都會(huì)疊加到背景漲落，導(dǎo)致基線展寬。圖7給出了其中一路背景灰度值（灰度值計(jì)算方法見(jiàn)§3.2）的分布（基線峰），用高斯擬合，半寬度約等于24灰度值。

圖7 一路光斑對(duì)應(yīng)的背景灰度值分布

經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)提高CCD的電子學(xué)增益并不會(huì)減小噪聲和信號(hào)相對(duì)漲落，反而會(huì)壓縮模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (Analog-to-digital converter, ADC)可用的輸出范圍，使像素灰度值更容易達(dá)到4095的上限，因此將CCD增益設(shè)置為0，只調(diào)整像增強(qiáng)器增益?？紤]到背景漲落以及各探測(cè)單元響應(yīng)的不一致性的影響，調(diào)整像增強(qiáng)器增益使所有單元的MIP信號(hào)平均在300灰度值左右，可保證大部分通道MIP峰與基線峰基本無(wú)重疊，降低刻度誤差。

3.4 ICCD線性測(cè)量

根據(jù)§3.3中描述的方法確定ICCD工作參數(shù)后，需要在該條件下測(cè)量ICCD線性。基本方法為雙光源對(duì)比法，即用兩只LD（設(shè)為L(zhǎng)D_A、LD_B）同時(shí)照射WLSF得到光斑灰度值(AB)與分別單獨(dú)照射得到的(A)、(B)對(duì)比，定義光斑灰度值為(AB)時(shí)偏離線性的程度為：{1?[(A)+(B)]/(AB)}×100%。

圖8(a)在較大的光強(qiáng)范圍內(nèi)給出了ICCD響應(yīng)曲線，光強(qiáng)g,s在30000灰度值左右開(kāi)始偏離線性，60000灰度值左右偏離超過(guò)了100%。30000–60000灰度值之間是輕度飽和區(qū)域，可以通過(guò)擬合響應(yīng)曲線的方法修正，超過(guò)60000是過(guò)飽和區(qū)域，信號(hào)漲落較大導(dǎo)致修正誤差較大，最終影響能量分辨率。

圖8(b)顯示了較弱的光強(qiáng)下ICCD的響應(yīng)，在150–25000灰度值范圍內(nèi)，線性優(yōu)于3%。如果將MIP信號(hào)大小控制在300灰度值左右，ICCD能量響應(yīng)線性區(qū)的上限可達(dá)到2.5 GeV，通過(guò)修正飽和效應(yīng)可擴(kuò)展到5 GeV。

圖8 光斑灰度值在不同范圍內(nèi)偏離線性的程度 (a) 1000–200000，(b) 150–25000

3.5 ICCD光強(qiáng)分辨率

ICCD探測(cè)固定強(qiáng)度的光信號(hào)時(shí)，重建出的光斑灰度值會(huì)存在漲落，可用光強(qiáng)分辨率σ/g,s（也稱為光子數(shù)分辨率）描述，與晶體、WLSF帶來(lái)的漲落疊加，最終影響能量分辨率。

從圖9給出的結(jié)果可知，在線性區(qū)域內(nèi)，ICCD不同通道光強(qiáng)分辨率很接近，該曲線為：

PMT的光強(qiáng)分辨率明顯優(yōu)于ICCD：

為了對(duì)比PMT和ICCD兩種讀出方式對(duì)能量分辨率的影響，我們用蒙特卡羅方法模擬100 GeV電子照射三維成像量能器，并加入式(2)和(3)描述的漲落項(xiàng)，模擬程序?yàn)镚EANT 4.9.6[13]。結(jié)果顯示對(duì)100GeV電子，與PMT讀出相比，ICCD讀出會(huì)使能量分辨率變差1.3%。由于宇宙線能譜為冪律譜，高能區(qū)的事例極少，統(tǒng)計(jì)漲落對(duì)能譜測(cè)量誤差的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)，因此ICCD對(duì)誤差的額外貢獻(xiàn)是可以接受的。

3.6 串?dāng)_修正

光斑的尺寸隨著入射光變強(qiáng)而增大，相鄰的光斑之間不可避免地會(huì)發(fā)生重疊現(xiàn)象，也稱為串?dāng)_。串?dāng)_效應(yīng)會(huì)使重建能量值偏大，因此需要在排除其他光斑干擾的情況下測(cè)量每一路光斑的形狀，得到不同光強(qiáng)下的灰度值分布，建立串?dāng)_矩陣，修正原始數(shù)據(jù)。

設(shè)光斑的真實(shí)灰度值為G，測(cè)量灰度值為V，光斑對(duì)光斑的串?dāng)_為H,i，H,i定義為通道WLSF被單獨(dú)照射時(shí)，被串?dāng)_光斑區(qū)域與光斑本體的灰度值之比，則光斑的測(cè)量灰度值可由式(4)得到：

寫成矩陣形式為：

在已知觀測(cè)灰度值矩陣的情況下，只要能夠估算出串?dāng)_矩陣，就可以通過(guò)簡(jiǎn)單的矩陣運(yùn)算得到光斑真實(shí)灰度值矩陣：

圖10給出了ICCD其中一個(gè)通道對(duì)相鄰?fù)ǖ溃ň嚯x為1f）的串?dāng)_，串?dāng)_隨著光斑亮度增大，因此串?dāng)_矩陣不唯一，需要根據(jù)每個(gè)光斑的亮度計(jì)算它們?cè)谠摿炼认聦?duì)其它通道的串?dāng)_，逐事例建立串?dāng)_矩陣進(jìn)行修正。

圖10 ICCD一個(gè)通道產(chǎn)生的光斑對(duì)相鄰?fù)ǖ来當(dāng)_隨光斑灰度值的變化

Fig.10 Crosstalk curve for the neighbor facula.

4 束流實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證ICCD系統(tǒng)用于三維成像量能器讀出方案的可行性，我們利用CERN-SPS (Super Proton Synchrotron at the European Organization for Nuclear Research)提供的高能粒子束對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了照射實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件基本設(shè)置為：粒子束沿著方向（層數(shù)為10）正入射，入射位置處于面中心，由前置的4層塑料閃爍體探測(cè)器做符合為ICCD提供觸發(fā)。

首先用50 GeV π+和質(zhì)子“二者均為最小電離粒子”混合束流對(duì)所有單元進(jìn)行了刻度。圖11給出了單個(gè)通道MIP信號(hào)的灰度值譜，左峰為ICCD背景與晶體自放射信號(hào)的疊加，右峰為MIP峰，分別用高斯卷積朗道函數(shù)擬合，峰位差為MIP信號(hào)幅度。束流粒子為質(zhì)子和π+。30 MeV與該峰位差的比值即刻度系數(shù)。根據(jù)擬合結(jié)果可知該單元MIP信號(hào)大小為437.5灰度值，分辨率約為14%。

圖12為所有250路單元MIP信號(hào)大小的分布，可以看出250路單元刻度系數(shù)差別較大，高斯擬合的結(jié)果為365±75灰度值，可推算出平均最大可探測(cè)能量為2 GeV左右，比預(yù)期的略低。較差的一致性主要來(lái)自晶體封裝、WLSF螺旋加工、WLSF與ICCD耦合等工藝。

圖11 利用MIP信號(hào)對(duì)量能器單元進(jìn)行刻度

圖12 所有250路單元刻度系數(shù)分布

每個(gè)量能器單元的能量重建需計(jì)算ICCD圖像中對(duì)應(yīng)的光斑的灰度值，修正串?dāng)_效應(yīng)后再根據(jù)響應(yīng)曲線（圖10）修正出現(xiàn)飽和效應(yīng)的單元，最后乘以刻度系數(shù)得到能量值。圖13為應(yīng)用此方法對(duì)10GeV電子事例進(jìn)行重建得到的總沉積能量分布，峰位9.55 GeV，能量分辨率5.1%。沉積能量略小于入射能量，這是因?yàn)橛?%沉積在量能器支撐結(jié)構(gòu)中，還有2%–3%的橫向和縱向泄漏，包括從單元之間的縫隙泄漏的部分（與粒子入射位置有關(guān)）。圖14、15直觀地顯示了10 GeV電子產(chǎn)生的電磁簇射在樣機(jī)中的發(fā)展，在第一層簇射開(kāi)始發(fā)展，在第三層達(dá)到極大，在第8層被全部吸收。

束流照射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明從ICCD圖像可以重建出粒子入射能量，初步驗(yàn)證了ICCD系統(tǒng)用于三維成像量能器讀出方案的可行性。

圖13 10 GeV電子在量能器中總沉積能量分布

圖14 10 GeV電子簇射在樣機(jī)量能器中的縱向發(fā)展

圖15 10 GeV電子簇射形狀在XZ平面做的投影

5 結(jié)語(yǔ)

本工作主要測(cè)量了ICCD系統(tǒng)的線性（動(dòng)態(tài)范圍）、光強(qiáng)分辨率、串?dāng)_特性等基本性能，根據(jù)測(cè)試結(jié)果確定了數(shù)據(jù)處理方法，并設(shè)計(jì)了使用ICCD讀出方案的三維成像量能器樣機(jī)。在CERN-SPS進(jìn)行的束流實(shí)驗(yàn)使用高能p+/質(zhì)子對(duì)量能器單元刻度并使用10 GeV電子照射量能器。通過(guò)對(duì)ICCD圖像的分析和處理能夠重建入射電子的能量，基本驗(yàn)證了ICCD讀出方案的可行性。

下一步的工作主要是新樣機(jī)的設(shè)計(jì)。首先，需要通過(guò)改進(jìn)工藝改善探測(cè)單元之間的一致性；重新設(shè)計(jì)讀出系統(tǒng)，采用像素分辨率更好、動(dòng)態(tài)范圍更大、幀頻更高、集成高速電子快門的IsCMOS (Image intensified scientific Complementary Metal Oxide Semiconductor)，預(yù)計(jì)新樣機(jī)的性能會(huì)得到有效的提升。

我們計(jì)劃使用更高能量的電子和質(zhì)子驗(yàn)證新樣機(jī)的響應(yīng)線性，測(cè)量能量分辨率曲線、角分辨和粒子鑒別能力。

1 Adloff C, Basara L, Bigongiari G,. The AMS-02 lead-scintillating fibres electromagnetic calorimeter[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physical Research Section A, 2013, 714: 147-154. DOI: 10.1016/j.nima. 2013.02.020.

2 Atwood W B, Abdo A A, Ackermann M,. The large area telescope on the fermi gamma-ray space telescope mission[J]. The Astrophysical Journal, 2009, 697(2): 1071. DOI: 10.1088/0004-637X/697/2/1071.

3 Zhang S N, Adriani O, Albergo S,. The high energy cosmic-radiation detection (HERD) facility onboard China’s Space Station[C]. Proceedings of SPIE 9144, Space Telescopes and Instrumentation 2014: Ultraviolet to Gamma Ray, Montréal, Quebec, Canada, 2014.

4 Yoshida K, Torii S, Yamagami T,. Cosmic-ray electron spectrum above 100 GeV from PPB-BETS experiment in Antarctica[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physical Research Section A, 2008, 42(10): 1670-1675. DOI: 10.1016/j.asr.2007.04.043.

5 Hu B L, Gao X H, Wang L,. Research on ICCD for space observation of cosmic ray and dark matter[C]. Proceedings of SPIE 9144, Space Telescopes and Instrumentation 2014: Ultraviolet to Gamma Ray, Montréal, Quebec, Canada, 2014.

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7 CETC44. High speed 300×400 CCD user guide[EB/OL]. http://www.coeri.com/UploadFiles/WEBEdit/20140519_5625.pdf.

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12 Hamamatsu photonics k. k. Photomultiplier tubes: basics and applications[EB/OL]. 2007. http://www.hamamatsu. com/resources/pdf/etd/PMT_handbook_v3aE.pdf.

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Application of ICCD to the readout system for 3D imaging calorimeter

QUAN Zheng1,3WANG Zhigang2WANG Junjing1,3DONG Yongwei1BAI Yonglin4BAO Tianwei1LIU Xin1LI Ran4LI Yong4WU Bobing1WANG Ruijie1WANG Le4WANG Bo4YAN Peng4XU Ming1ZHANG Li1

1(Key Laboratory of Particle Astrophysics, Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China) 2(State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics, Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China) 3(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China) 4(Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710119, China)

Background:Compared with common 2D calorimeters,3D imaging calorimeters have higher geometric acceptance and better background rejection performance for space particle physics experiments but they also have a large number of readout channels with more complicated electronics. The advantages of small size, low power consumption, low heat and high integration makes the image intensified charge-coupled device (ICCD) preferable to some traditional photoelectric devices like photomultiplier tube (PMT). Purpose: This study aims to investigate thefeasibility of ICCD readout for a 3D imaging calorimeter. Methods: A 3D imaging calorimeter prototype with 250 channels and readout for an ICCD has been designed. Laser diodes were used as light sources to measure the linearity, light intensity resolution and crosstalk performance of the ICCD. The 10-GeV electron beam of the Super Proton Synchrotron at the European Organization for Nuclear Research (CERN-SPS) was employed to measure the response of the calorimeter and reconstruct the calorimetry. Results:Experimental result of 10-GeV electron beam test shows the energy of incident particle can be reconstructed from ICCD image correctly. Conclusion:The performance of ICCD with appropriate readout electronics can meet the requirements for a 3D imaging calorimeter.

Light facula, Linearity, Crosstalk, Beam test, Energy reconstruction

TL99

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.050401

國(guó)家自然科學(xué)青年基金(No.11305190)資助

權(quán)征，男，1985年出生，2012年畢業(yè)于中國(guó)科技大學(xué)，現(xiàn)為博士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)榱Ｗ犹祗w物理與高能物理實(shí)驗(yàn)

王志剛，E-mail: wangzhg@ihep.ac.cn

2017-01-20，

2017-03-08

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.11305190)

QUAN Zheng, male, born in 1985, graduated from University of Science and Technology of China in 2012, doctoral student, focusing on particle astrophysics and high energy experiments

WANG Zhigang, E-mail: wangzhg@ihep.ac.cn

2017-01-20, accepted date: 2017-03-08