1、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,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,报告提纲,2,空间探测的优势,3,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。,4,紫台空间探测的发展计划,高能宇宙线、伽玛射线观测：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DAM
2、PE（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；,5,紫台空间探测的发展计划,6,高能伽玛射线的空间探测计划盘古计划：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
3、 ：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,7,HERD （中国空间站）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
4、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,8,8,LASGA,LASGA （中国空间站）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,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,报告提纲,9,伽玛射线观测技术要求,高能
5、伽玛射线/宇宙线观测方法：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）；,10,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
6、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。,11,“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；,12,1、紫台空间探测的发展计划2、硅微条探测器
7、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,报告提纲,13,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
8、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；,15,大面积硅微条探测器的封装,16,大面积硅微条探测器的封装,17,多通道前端读出电子学的研制,对电子学的需求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；,18,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）,19,多通道前端读出电子学的研制,原理样机中完成了
9、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；,20,多通道前端读出电子学的研制,电子学主要完成以下测试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刻度源测试结果,21,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
10、他地方阻抗变低，使得相关通道工作不正常。,22,硅微条探测器的测试,硅微条探测器测试方法放射源，如源，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源（如锶90）和宇宙线两种方式；,23,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 noiseVA equalization等Cluster的寻找和沉积总能量的计算,24,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),25,1、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,报告提纲,26,将来的计划及总结,探测器的封装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！,27,衷心感谢各位专家,
