紫台空间天文实验室硅微条探测器研制进展 郭建华 中科院紫金山天文台 中国科学院暗物质与空间天文重点实验室

报告提纲 1、紫台空间探测的发展计划 2、硅微条探测器的应用需求 3、大面积硅微条探测器的研制 4、将来的计划及总结

空间探测的优势 全波段天 从射电到伽玛 eV-1015eV 大气吸收红外、紫外、X射线、伽玛射线

空间探测的优势 宇宙射线和大气作用同样也会发生簇射而产生大量的次级粒子。 原初高能宇宙线的探测，空间比地面有不可替代的优势。

紫台空间探测的发展计划 高能宇宙线、伽玛射线观测： 太阳的X/伽玛射线观测： 月球、行星的伽玛射线探测： 宇宙的起源，如反物质、暗物质粒子的探测； 高能宇宙线的起源和传播； 伽玛射线天文等； 完成了暗物质粒子探测卫星DAMPE（2015年底发射成功） 太阳的X/伽玛射线观测： 研究太阳磁场、太阳耀斑、日冕物质抛射等； 紫台在太阳物理的研究方面有比较大的队伍； 月球、行星的伽玛射线探测： 行星表面元素探测，研究太阳系早期物质分布，同时也对认识太阳系46 亿年的演化过程具有重要意义； 完成了嫦娥一号、二号上的伽玛射线谱仪；

紫台空间探测的发展计划 高能伽玛射线的空间探测计划 太阳X射线、伽玛射线的探测计划 月球、行星伽玛射线探测 盘古计划：高精度（0.2度@1GeV）的测量伽玛射线“GeV”超，先导A空间预研支持； HERD（紫台参与）：高能宇宙辐射探测设施，10TeV的电子/伽玛射线观测，PeV以上的宇宙线观测，用于研究暗物质以及宇宙线起源； 太阳X射线、伽玛射线的探测计划 HXI ：太阳硬X射线成像仪，先进天基太阳天文台的载荷之一， 10kev-300kev 的X射线成像，空间调制成像，用于研究太阳磁场、太阳耀斑、日冕物质抛射三者之间的内在物理联系。先导专项，即将正式立项； LASGA：大面积太阳伽玛射线谱仪，安装在中国空间站实验舱II上，10keV到GeV的伽玛射线能谱测量，用于研究太阳耀斑的物理起源和触发机制研究。载人航天项目，即将立项； 月球、行星伽玛射线探测 行星表面元素的探测：目前紫台正在进行小行星探测方面的项目申请，开展预研工作；

HERD和盘古计划 盘古计划 （卫星） HERD （中国空间站） 观测目标：伽玛射线天文、“GeV”超 观测目标：电子/伽玛、宇宙线 能段：~10TeV (电子、伽玛） 特点：采用了小粒度的量能器（3D量能器），大大提高粒子鉴别能力 盘古计划 （卫星） 观测目标：伽玛射线天文、“GeV”超 能段：~10GeV 特点：采用~50层的硅微条，大大提高了伽玛射线的方向测量（1度@0.1GeV)

LASGA和HXI LASGA HXI （卫星） LASGA （中国空间站） 观测目标：X射线成像（优于6”） 观测目标：伽玛 能段： 10keV-GeV 特点：采用高能量分辨的溴化镧晶体 HXI （卫星） 观测目标：X射线成像（优于6”） 能段：10kev-300kev 特点：空间调制，傅立叶变换，高能量分辨的溴化镧晶体 8

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伽玛射线观测技术要求 高能伽玛射线/宇宙线观测方法： 技术特点： 科学研究对探测仪器要求越来越高： 粒子（核）物理实验技术+航天技术+天文 磁谱仪，如AMS-02，PAMELA； 反符合+径迹测量+量能器，如FERMI-GLAST、CALET、DAMPE； 技术特点： 能量高，粒子性无法聚焦，需要足够的重量来“阻挡”； 本底高，需要有强的粒子鉴别能力； 科学研究对探测仪器要求越来越高： 更宽的能段、更好的能量分辨； 更小的角分辨（径迹测量）、更低的本底（反符合）； 粒子的径迹（成像）需要利用位置灵敏的探测器

“新技术”的研发 空间探测为了降低分险一般采用地面成熟的技术； 位置灵敏探测器的研发选择 气体探测器（多丝室、微结构气体探测器等），大面积，低成本，但真空下容易漏气； 闪烁探测器（闪烁光纤），位置分辨比较低； 常温半导体探测器，位置分辨高，方便在真空下封装，缺点是价格贵。硅基的有硅微条、硅像素探测器，其他如CZT像素探测器等。

“新技术”的研发 紫台空间天文实验室目前主要集中大面积硅微条探测器的研发，为将来可能的伽玛射线观测计划做准备。 硅微条探测器 主要针对高能伽玛粒子的空间探测，高能伽玛粒子流量低，需要大面积的探测器，而硅微条容易通过多片的键合形成大面积的径迹探测； 相对像素型探测器需要比较少的读出电子学； 主要工作包括以下几个方面： 大面积硅微条探测器的封装； 探测器的测试平台的研发； 探测器的模拟及在轨处理算法的研究；

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大面积硅微条探测器的封装 暗物质粒子探测卫星上的硅微条探测器由高能所负责，探测器的封装主要由日内瓦大学、INFN佩鲁贾完成； 紫台正在大面积硅微条探测器的封装和前端电子学方面开展工作； 目前已经完成了一个原型样机（和INFN佩鲁贾合作）。 DAMPE上的硅微条探测器

大面积硅微条探测器的封装 探测器的封装包括（和INFN佩鲁贾合作）： 硅片使用滨松公司生产的硅片，尺寸为10cm*10cm*320um； 硅片的装配； 检查硅片的对准； PCB点胶：导电胶和非导电胶 PCB和硅片的粘接、固化； 检查硅片的粘连情况； 探测器的键合； 检查键合强度等，完成硅微条模块； 将多个模块粘接在铝蜂窝平面上形成探测器；

大面积硅微条探测器的封装

大面积硅微条探测器的封装

多通道前端读出电子学的研制 对电子学的需求 电子学的选择 320um沉积能量~120kev/MIP，~32*103 e-h 整个硅片：总电容约为2824 pF，暗电流~200nA； 大面积硅微条需要多个硅片键合在一起，所以电子学需要面对比较大的电容和暗电流； 电子学的选择 选用挪威IDEAS公司的VA140，AMS使用的VA64HDR9升级版本；

多通道前端读出电子学的研制 VA140共64通道/芯片 动态范围为200fC（~40MIP）

多通道前端读出电子学的研制 原理样机中完成了一个前端读出板 6个VA140芯片完成384个硅微条通道的读出； 其中3个VA140芯片级联shiftout后，通过I-V变换、放大等再通过DAQ板的AD采样读出；

多通道前端读出电子学的研制 电子学主要完成以下测试 测试结果 基线及基线噪声 线性刻度：外部信号源和前端电子学自身的DAC刻度源 基线噪声(连接两个硅片)：common noise扣除前后7 ADC->2 ADC

多通道前端读出电子学的研制 电子学线性刻度 大部分通道能够保持很好的线性 每个芯片的Channel NO.64发现线性很差 封装完探测器后，发现部分通道电子学线性刻度增益变差，可能是芯片封装是输入端没处理好，受污染变脏导致和其他地方阻抗变低，使得相关通道工作不正常。

硅微条探测器的测试 硅微条探测器测试方法 测试结果 放射源，如β源，能量沉积宽，但无空间分辨和能量分辨； 宇宙线Moun测试 加速器束流测试，比较不容易获得 激光测试，空间分辨高，可以快速检查微条的情况 测试结果 目前主要使用β源（如锶90）和宇宙线两种方式；

硅微条探测器的测试 宇宙线测试利用塑闪做触发； 每隔1个小时测量一次基线； 数据处理包括： 扣除基线； 扣除common noise VA equalization等 Cluster的寻找和沉积总能量的计算

硅微条探测器的测试 宇宙线测试结果（简单地统计所有方向入射的事例） 1MIP=50ADC道，1道约为2.4kev (670 eh pair)

报告提纲 1、紫台空间探测的发展计划 2、硅微条探测器的应用需求 3、大面积硅微条探测器的研制 4、将来的计划及总结

将来的计划及总结 希望能够和国内各兄弟单位合作！！！ 探测器的封装 读出电子学 探测器的测试 在中科院修购专项的支持下，紫台2017年计划采购高性能自动键合机、三维坐标测试仪、探针测试台、点胶机、贴片机等设备，建设半导体探测器封装、测试平台； 读出电子学 目前计划进一步和挪威IDEAS公司合作，开发多通道低噪声前端读出系统； 探测器的测试 研制单片测试、模块组装的测试、整机测试平台； 同时开展一些探测器模拟和在轨数据压缩算法方面的研究 希望能够和国内各兄弟单位合作！！！

衷心感谢 各位专家