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BGO量能器的概述和工作原理


     BGO量能器分系统的主要功能是完成高能宇宙射线的能量测量,以及提供触发判选信息。 量能器是高能物理实验中最常用的探测器之一。世界上各个高能物理研究中心正在运行的和即将设计建造的粒子谱仪,都无例外的采用磁谱仪外加各种形式的量能器。量能器已经成为高能粒子能量测量和粒子分辨不可缺失的一种探测器。

    当入射粒子通过量能器时,由于粒子与介质原子的相互作用(电磁相互作用或强相互作用),入射粒子把能量沉积在量能器中。粒子物理实验中的量能器所依据的物理理论是高能电子/伽玛光子和高能强子的电磁簇射和强子簇射。

    从测量能区、能量分辨率、探测手段的技术实现难度、安全性和对项目目标的满足度来考虑,选择全吸收型电磁量能器来测量高能电子、伽玛能谱这一方案对本项目的实施是最合适的。 高能物理实验上要求量能器的材料密度大,可以做成大尺寸。例如PWO、BGO等无机晶体都是地面高能物理实验采用过的成熟材料,然而PWO的力学性能比BGO晶体稍差,空间实验对于力学性能的要求非常高,所以量能器的材料选择为BGO晶体。

    BGO晶体在上个世纪80年代应高能物理实验(L3 /LEP)需要,中科院上海硅酸盐研究所首创生产(世界发明专利,获85年瑞士博览会的发明奖)以来,世界上很多高能物理实验的精密电磁量能器都采用中国的BGO晶体。该研究所已经为暗物质粒子探测卫星研发并批量生产出世界上最长的(60厘米长)的BGO晶体。

    BGO晶体的工作原理是将高能粒子簇射在晶体单元中的沉积能量转换成相应的荧光信号输出。然后需要光电器件与晶体进行耦合,实现光信号到电信号的转换并输出。

    方案阶段调研和比较了日本CALET空间探测器、美国Fermi GLAST探测器的设计,最终采用R5610A-01光电倍增管(PMT)收集荧光,从不同增益的打拿极引出信号并采用统一的电子学(FEE),以扩大动态范围。

    为了实现探测器信号的读出(及电荷测量及数字化),设计了三种型号的FEE板,分别命名为A、B、C。这三种FEE功能类似,但通道数和机械尺寸略有不同。其次,A型板还承担了输出击中信号的任务。

    因为输入高压通道数有限,需要11个PMT共用一路高压输入。为此,专门设计了高压扇出板(HV-Fanout),用来将一路高压通过电阻网络接到多路PMT。

    


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