摘要: MeV伽马射线天文台(MeV Gamma Ray Observatory, MeVGRO)是目前在研预计实现对MeV能区伽马射线高分辨、高灵敏度探测的大型空间天文望远镜。反符合探测器(Anti-Coincidence Detector, ACD)作为MeVGRO的有效载荷之一，需要实现带电粒子的高效探测，从而区分空间带电粒子和伽马射线。本文基于硅光电倍增管(Silicon photomultiplier, SiPM)和ASIC (Application Specific Integrated Circuit)，设计了一款可以应用于空间的反符合探测器样机，可高效的输出带电粒子的触发信号，兼具大动态范围测量，并对其进行了基线噪声测试、动态范围测试和宇宙线测试。测试结果表明该样机工作稳定、性能良好，实现了动态范围最大到500 pC，各通道的电子学台阶一致性在1.1%以内，最小电离粒子(Minimum Ionizing Particle, MIP)的能谱信噪比优于0.2 c.u.。
Abstract:
The MeV Gamma Ray Observatory (MeVGRO) is a large space telescope currently under development, aimed at achieving high-resolution and high-sensitivity detection of MeV gamma rays. The Anti-Coincidence Detector (ACD), as one of the effective payloads of MeVGRO, is required to efficiently detect charged particles in order to distinguish them from gamma rays in space. Based on Silicon photomultiplier (SiPM) and Application Specific Integrated Circuit (ASIC), this paper presents the design of a prototype of an Anti-Coincidence Detector that can be applied in space. It can efficiently output triggering signals for charged particles, and has a large dynamic range measurement. The prototype underwent baseline noise testing, dynamic range testing, and cosmic ray testing. The test results indicate that the prototype operates stably and has good performance, achieving a dynamic range of up to 500 pC, with electronic step consistency of each channel within 1.1%, and a signal-to-noise ratio for the Minimum Ionizing Particle (MIP) better than 0.2 c.u.
1. 引言
空间中伽马射线的探测，作为宇宙中极端事件的独特探针，可以深入了解超新星爆发、活动星系核、黑洞、伽马脉冲星、暗物质等宇宙事件，从而加深了对宇宙构成、星体演化和宇宙线的起源等的理解。国际上对伽马射线的各个能段的观测中，康普顿伽马射线天文台(CGRO) [1] 、敏捷号伽马射线天文卫星(AGILE) [2] 、费米伽马射线太空望远镜(Fermi-LAT) [3] 、阿尔法磁谱仪(AMS-02) [4] 、暗物质粒子探测卫星(DAMPE) [5] [6] 等项目的探测器载荷中都包含了反符合探测器。其中中低能段和超高能段观测成果略少 [7] ，在国际上的空间伽马射线天文望远镜中，只有CGRO的康普顿成像望远镜(COMPTEL)以中能段为主要探测能区。国内因此于MeV伽马射线天文台的提出，正是瞄准了我国空间伽马射线天文的“空缺”波段。
MeVGRO是一个可实现对0.3~100 MeV伽马射线能谱、时变、偏振及成像等高灵敏度、全参数、大视场观测的大型空间天文望远镜。MeVGRO的有效载荷由硅径迹探测器(GCK)、低能量能器(LECA)、高能量能器(HECA)、反符合探测器(ACD)、暴发检测器(CBM) 5种探测器组成。如图1所示，GCK、LECA、HECA位于望远镜内部，ACD从5面进行包围，紧密的覆盖量能器。因此ACD采用SiPM耦合在塑闪表面，塑闪可以全面包围量能器。除了覆盖率的要求，ACD需要较高的带电粒子探测效率，对最小电离粒子(MIP)的电荷分辨需满足<0.2 c.u.。
反符合探测器通常使用物质量较轻(如塑料闪烁体)的探测器，其对宇宙线中的带电粒子探测效率较高，而伽马光子几乎不会产生能量沉积，因此通过有无能量沉积信号，即可实现对宇宙线带电粒子事例和伽马光子的区分识别。塑闪探测器发出的光子，通常由光电倍增管转换为电信号进行收集。由于空间中的质子通量比伽马射线通量大四个数量级，需要在受限的空间中，ACD尽可能的覆盖伽马探测器，而硅光电倍增管(SiPM)由于其小体积(毫米量级的尺寸)、低电压(低于百伏)、高光子探测效率(客座单光电子探测)、高增益(105~107)和不受磁场影响等特性，开始在空间项目中应用，比如GECAM卫星的GRD和CPD探测器 [8] 。
本文设计的ACD基于塑闪和SiPM组成塑闪单元，塑闪单元密切排列，达到对核心探测器的覆盖。对于近千路的SiPM，采用专用ASIC进行电信号的收集。为了实现ACD的上述功能实现可行性，本文对选用的具有触发输出的ASIC进行了性能评估；同时设计了一套反符合探测器，实现了ASIC芯片采集塑闪单元信号，并通过宇宙线测试验证了其电荷分辨性能。
2. 反符合探测器单元的结构
反符合探测器的结构示意图如图2所示，由塑料闪烁体和SiPM两部分组成一个探测单元模块。塑料闪烁体采用的是ELJEN公司生产的EJ-200 [9] 。该材料的参数为：光输出64% (相对于蒽)，闪烁效率10,000光子/1 MeV e−，最大发射波长425 nm，光衰减长度380 cm，上升时间0.9 ns，衰减时间2.1 ns，半高宽2.5 ns，折射率1.58。在塑料闪烁体的两端耦合SiPM用于闪烁光子的读出，SiPM使用的是滨松公司生产的S13360-6050CS [10] ，有效感光面积6 mm × 6 mm，像素间距50 um，击穿电压(Vbr)为53 ± 5 V，推荐工作电压为Vbr + 3 V，光谱响应范围270~900 nm，波长峰值450 nm，像素点个数14,400。
Figure 2. Anti-coincidence detector unit schematic
图2. 反符合探测器单元结构图
为了提高闪烁光的收集效率，在塑料闪烁体表面包裹了一层ESR反光膜，该反光膜对于可见光波段的光子能够达到98%以上的反射效率，可以显著地降低闪烁光子在包裹材料表面多次反射吸收而导致光收集效率降低。
3. 反符合探测器读出电子学系统
反符合探测器的读出电子学系统框架如图3所示，主要由ACD、ASIC、模数转换器(ADC)、FPGA、PC上位机组成。
Figure 3. Anti-Coincidence Detector readout electronics framework
图3. 反符合探测器读出电子学框架
选用的ASIC芯片是WEEROC公司生产的Citiroc 1A [11] 。Citiroc 1A是一款拥有32通道并且专用于读出SiPM信号的前放ASIC，它具有大动态范围、单独触发通道、低噪声、低功耗等特点。该ASIC芯片触发阈值低至1/3光电子，动态范围0~400 pC，接通的电源电压为3.3 V时功耗低至225 mW。同时由于SiPM对温度比较敏感，温度的变化会导致SiPM的工作电压发生变化，Citiroc的前放电路可以通过片内集成的8 bit DAC进行高压调节，来校正SiPM的增益和噪声不均匀性。其内部电路图如图4所示，主要由前放电路，电荷测量电路，触发电路三部分组成。
Figure 4. Internal circuit diagram of Citiroc [11]
图4. Citiroc内部电路图 [11]
当有粒子穿过塑料闪烁体时，会通过激发和电离在塑料闪烁体上产生沉积能量，而这些能量一部分会被吸收转换成闪烁光子。闪烁光子被收集并且通过SiPM转换为一个显著的电流脉冲信号传输给ASIC芯片。Citiroc接收到SiPM产生的电流脉冲信号后经由前放电路进行积分放大，前放电路有高增益放大器和低增益放大器，两档放大器都为逐通道独立可调增益前置放大器，确保了动态范围的广泛覆盖。在电荷测量电路中，放大后的信号送入慢成形电路中滤波成形，成形时间12.5 ns~87.5 ns可调。成形后信号送入峰值采样模块进行采样和保持，最后通过一个多路复用输出串行读出32个通道的高增益和低增益模拟电荷测量值。测量的电荷值通过外部ADC转换为数字信号并传输给FPGA中进行数据打包处理，最后通过网口上传到PC进行数据采集。采用的ADC是ADI公司生产的AD9220ARZ。AD9220ARZ是一款采样率10 MSPS、12位的ADC，具有高速采样率和低功耗特性。
触发电路可以选择连接到高增益或低增益前置放大器中，该触发链由快成形电路、时间鉴别器和电荷鉴别器组成。快成形电路固定成形时间15 ns，两个鉴别器连接到快成形电路的输出端，时间鉴别器进行时间窗口和触发决策的数字处理，当快成形输出信号超过预设的阈值时，电荷鉴别器会产生一个触发信号并通过多路复用输出依次提供32个通道的电荷触发信号，PC上位机可以通过串口进行FPGA的功能控制与参数配置。
4. Citiroc性能测试
4.1. 基线测试
基线测试是为了确定Citiroc各通道的噪声基线水平，该测试使用到Citiroc的刻度功能，将32个通道输入端悬空，使用信号发生器产生10 kHz的触发信号，对各个通道的电子学台阶、噪声一致性进行测试。测试结果如图5所示，左图HG为高增益各通道基线均值，ADC道数在890~920之间，各通道的电子学台阶一致性在1.1%以内，随机噪声道数在3道以内。右图LG为低增益各通道基线均值，ADC道数在900~920之间，各通道的电子学台阶一致性在0.989%以内，随机噪声道数在2道以内。以上试验证明，该ASIC的各通道具有较好的一致性。
Figure 5. Baseline test results of 32 channels
图5. 32个通道基线测试结果
4.2. 线性测试
线性测试可以检验Citiroc各通道的工作性能，线性测试是以电荷注入的方式进行，通过改变注入Citiroc各通道的电荷量对其线性性能进行测试。线性测试框图如图6所示，使用信号发生器输出幅度为V，频率为10 kHZ的脉冲信号，通过一个串联电容C给Citiroc的各通道注入电荷。
Figure 6. Schematic diagram of linear test
图6. 线性测试框图
注入的电荷量可以由式1计算得出。
(1)
其中C为串联电容的容值，V代表注入信号的幅度。两档放大器的增益由Cin/Cf控制，其中高增益通道Cin为15 pF，低增益通道Cin为1.5 pF，而Cf均为0~1575 fF (6 bit可调，步长25 pF)可调，通过改变注入的电荷量对Citiroc各通道的高增益通道与低增益通道进行线性测试。
图7为其中一个通道的线性测试结果，左图为高增益通道线性测试结果，设置的放大增益为10倍，在270 pC左右达到饱和，对线性区0~250 pC范围进行拟合，经计算得到积分非线性好于1%。右图为低增益通道线性测试结果，设置的放大增益为1倍，在20 pC~500 pC范围内保持了一个良好的线性关系，对线性区进行拟合，经计算得到积分非线性好于0.5%。
5. 宇宙线测试测试
为了验证ACD的最小电离粒子性能，在实验室搭建了一套宇宙线测试系统。如图8所示，将反符合探测器单元的SiPM输出端连接至ASIC的输入端用于数据读出。在ACD顶面与底面放置两块触发塑闪，用于触发穿透ACD的宇宙线所产生的沉积能量信号，并接上高压进行供电。将上下两端触发塑闪产生的信号通过SMB转lemo线缆接入NIM机箱，NIM机箱中的扇入扇出插件将信号反向输出，再通过低阈甄别器将过阈信号转换为NIM信号，NIM信号经过“与”逻辑插件后，从而产生宇宙线事例触发信号并用作于读出电子学的外触发信号。当读出电子学部分接收到外触发信号时，即可通过PC上位机程序进行SiPM的数据采集。
宇宙线测试结果如图9所示，通过朗道卷积高斯对能谱进行拟合，能谱基线位于1000 ADC，可得其电荷分辨为0.12 c.u.。
6. 结论
本文研制了一款具有触发功能的反符合探测器，并基于SiPM和Citiroc ASIC芯片设计了反符合探测器的读出电子学系统，对其进了一系列性能测试，并将读出电子学与反符合探测器联调进行宇宙线测试。测试验证该套系统动态范围达到500 pC，电子学系统各通道一致性在1.1%以内，积分非线性好于1%，联调探测器的带电粒子探测效率为0.12 c.u.。测试结果表明该反符合探测器系统性能稳定，动态范围大，其中大动态范围的设计同时可以拓展ACD的电荷测量能力，电子学通道一致性良好，电荷分辨好于ACD设计所需的0.2 c.u.，为后续ACD的研制奠定了良好的基础。