2. 中国科学院高能物理研究所 核探测与核电子学国家重点实验室 北京 100049;
3. 中国科学院大学 北京 100049;
4. 中国科学院西安光学精密机械研究所 西安 710119
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
在空间探测宇宙线实验中，量能器主要用于能量探测、粒子鉴别、粒子角度重建等。由于卫星、空间站等平台分配给各载荷的资源极其有限，因此十分有必要对量能器设计进行多次优化，充分利用有限资源得到最好的性能。与传统的采用多层条形正交结构、光电器件两端读出设计的二维量能器（例如AMS02 ECAL[1]、FermiLAT Calorimeter[2]等）相比，三维成像量能器采用小颗粒立方体晶体组成探测阵列，对称性较高，多面灵敏，在相同的体积和重量下几何因子（有效面积对立体角的积分）有了数量级的提升，可在相同的观测时间内积累更多数据，更精确地获得粒子簇射的三维形貌信息，提高粒子鉴别能力。
但三维结构需要更大规模的读出路数，如果使用光电倍增管 (Photomultiplier Tube, PMT)、光电二极管 (Photodiode, PD) 等读出器件，电子学复杂度增加，重量、体积、功耗也会随着量能器规模成比例增大。而增强电荷耦合器件 (Intensified charge-coupled device, ICCD) 读出的设计可极大地简化电子学：由光纤将每个探测单元的闪烁光引出，并汇聚到ICCD读出。ICCD可直观地给出包含所有光斑的灰度值图像，再根据光斑灰度值重建晶体沉积能量。这种设计集成度高，占用空间小，功耗小，并且发热器件集中，能够更容易地解决散热问题，有效地提高了资源利用率。中国规划中的空间探测项目——高能宇宙辐射探测设施 (High Energy cosmic Radiation Detection, HERD) 将使用三维成像量能器的设计[3]，实现对高能宇宙线核子、电子、g光子的高精度探测并在其运行时间内积累足够的数据，在研究暗物质和宇宙线起源、传播等科学问题上发挥重要作用。
虽然ICCD在量能器大规模读出方面有较好的应用前景，但是目前只有很少数ICCD用于量能器数字读出的经验，例如基于高空气球的PPB-BETS (Balloon-borne Electron Telescope with Scintillating fibers flown by Polar Patrol Balloon)[4]。三维成像量能器需要从ICCD图像得到每路输出信号的幅度，因此对ICCD的线性、光强分辨率、串扰特性等直接影响能量重建的性能有更高的要求，有必要设计样机和实验对ICCD性能以及重建算法进行深入研究，并验证其用于三维成像量能器读出的可行性。
1 ICCD系统ICCD系统主要包括像增强器 (Image Intensifier, I.I.)、光学耦合系统、电荷耦合器件 (Charge-Coupled Device, CCD) 系统三个部分，如图 1所示。ICCD探测原理为：入射光子在像增强器的光阴级处通过光电效应转换为电子，电子在电场加速下通过微通道板 (Microchannel Plate, MCP) 时发生倍增，倍增后的电子激发荧光屏发光，再由CCD系统完成图像的采集、处理和输出。
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图 1 典型的ICCD系统内部结构示意图 Figure 1 Schematic diagram of a typical ICCD system |
本工作使用的ICCD系统由中国科学院西安光学精密机械研究所研制[5]。其中像增强器采用英国Photek公司的MCP225[6]，窗口尺寸为∅25 mm，光阴级敏感波长范围为200-900 nm，量子效率为12%@500 nm波长，最大增益可达106。MCP225采用P20型荧光屏，发光衰减时间为1 ms（光输出从峰值降到1%峰值所需时间）。CCD图像传感器为中国电子科技集团公司第四十四研究所研制的高帧频分裂帧转移CCD[7]，整个CCD尺寸为300×400像素 (Pixel)，每个像素大小为26 μm×26 μm，输出灰度值范围为0-4095。整个ICCD系统的最大有效帧频为400 s-1。耦合方式采用效率较高的光锥耦合，缩比10:3。
在三维成像量能器方案中，ICCD系统使用外触发工作模式。整个工作流程为：1) 像增强器先处于开启等待状态；2) 粒子击中探测器产生荧光，一部分荧光被采用PMT读出的触发系统采集并产生触发信号发送给ICCD，另一部分荧光到达通过波长位移光纤 (Wavelength Shifting Fiber, WLSF) 被ICCD收集，触发到达延迟约为200 ns；3) 触发到达ICCD后控制器发出指令关闭像增强器，同时CCD开始曝光采集；4) CCD采集完毕，像增强器重新打开处于等待状态。
由于触发延迟的存在，利用1 ms左右的荧光屏光衰减时间进行光路延迟，可以保证大部分光子被CCD收集，以及时间相邻的事例信号不重叠。
2 HERD原理样机简介HERD原理样机是三维成像量能器方案的实际应用，其设计目的正是为了用束流照射实验验证该方案的可行性。样机包含（图 2）：
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图 2 HERD原理样机 Figure 2 HERD prototype |
1) 晶体阵列：由5×5×10个3 cm边长立方体形晶体组成长方体阵列，规模约为在轨方案的1/40，采用栅格状碳纤维支撑结构，栅格壁厚为1 mm；相邻晶体间距在XYZ三个方向上不同，分别为0.2cm、0.3 cm（束流方向）、0.5 cm（竖直方向）；
2) 铝合金制暗箱；
3) 两套ICCD：低量程ICCD (ICCD_L) 与高量程ICCD (ICCD_H) 分别探测不同能段，二者信号大小平均相差40倍左右；
4) 触发系统：用PMT作为读出设备，收集所有探测单元输出的光子并产生触发信号。
样机探测单元由3 cm×3 cm×3 cm大小的立方形硅酸钇镥 (Lutetium-Yttrium Oxyorthosilicate, LYSO) 晶体（样机使用的LYSO由苏州晶特晶体科技有限公司生产）、WLSF以及外部包裹的增强镜面反射膜 (Enhanced Specular Reflector, ESR) 组成。晶体产生的闪烁光子由加工成螺旋状的WLSF（型号：BCF91A，直径0.3 mm）引出到阵列外，共引出三路，分别为低量程 (WLSF_L)、高量程 (WLSF_H) 以及触发路 (WLSF_T)。图 3为螺旋WLSF实物照片。低量程螺旋圈数为10，引出到ICCD_L；高量程与触发路为同一根WLSF的两端，螺旋圈数为1，分别引出到ICCD_H和触发系统的PMT。
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图 3 加工成螺旋状的WLSF (a) 低量程WLSF单端引出，(b) 高量程、触发WLSF双端引出 Figure 3 Spiral WLSFs (a) WLSF_L, single readout, (b) WLSF_H and WLSF_T, dual readout |
WLSF可将晶体发出的蓝光转化为ICCD更灵敏的绿光（发射谱峰值波长为500 nm左右），同时改善光收集均匀性。但是WLSF吸收转化效率较低，为了保证最终的光输出，需要使用高光产额的晶体。LYSO晶体密度较高，光产额与NaI (Tl) 接近，同时具有快发光、不潮解、温度效应低等优点[8-9]，近年来得到了越来越多的关注。使用LYSO作为灵敏材料的HERD原理样机纵向厚度达到26辐射长度或1.5核相互作用长度，这种规模可实现对250 GeV电子95%以上能量吸收，以及400 GeV质子35%左右能量吸收[10]。
从阵列引出的WLSF固定在光纤接头并以1mm的间距密排（图 4），光纤接头与ICCD端窗紧贴，每个接头都汇聚了250路WLSF。图 5为ICCD采集的一帧图像，包含了所有WLSF产生的光斑（已扣除背景灰度值），光源来自LYSO内部自发放射性（Lu176衰变）产生的本底[11]。1 mm间距对应约12个像素，被定义为一个光斑距离 (Df)。大部分相邻光斑之间的距离为1Df，为了研究光斑扩散规律，少部分WLSF被排布在距离其它光纤2Df或更远的位置以减少串扰效应。由于BCF91A采用双包层结构，漏光率低，并且每一根WLSF在距离晶体阵列较近的引出端都使用黑色塑料套管进行了避光处理，因此与光斑图像串扰相比，漏光造成的串扰可忽略不计。
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图 4 光纤接头 (a) 低量程，(b) 高量程，(c) 触发 Figure 4 WLSF interface (a) WLSF_L, (b) WLSF_H, (c) WLSF_T |
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图 5 ICCD采集的一帧包含所有250路光纤所产生光斑的图像 Figure 5 A single frame image including all the 250 channels acquired by the ICCD |
ICCD测试系统如图 6所示，由双路脉冲发生器同时驱动两只激光二极管 (Laser diode, LD) 照射单根WLSF，通过调整驱动脉冲的幅度来获得不同强度的光输出。使用两只LD的目的是为了用双光源对比法测量ICCD的线性[12]。
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图 6 ICCD测试系统示意图 Figure 6 Schematic diagram of the ICCD testing setup |
ICCD将从光纤输出的光子数信息转化为灰度值信息，我们需要从灰度值图像中提取出各路光纤的光输出。考虑到光斑在图像上的分布范围会随着光强变化，而多路光纤在有限的面积里密排，相互之间很有可能存在串扰现象，因此比较合理的方法是各路光斑在各自固定的范围内统计灰度值（串扰修正方法参考§3.4）。
光斑灰度值 (Lg, s) 是与光纤输出光子数成正比的量，被定义为以光斑重心为圆心、半径为5.5个像素的圆内所有像素灰度值的和。光斑重心的计算方法为：
| ${X_{\rm{c}}} = \frac{{\mathop \sum \nolimits_i^n {x_i} \cdot {P_i}}}{{\mathop \sum \nolimits_i^n {P_i}}},\quad {Y_{\rm{c}}} = \frac{{\mathop \sum \nolimits_i^n {y_i} \cdot {P_i}}}{{\mathop \sum \nolimits_i^n {P_i}}}$ | (1) |
式中：Xc、Yc为光斑重心；xi、yi为像素i坐标；Pi为像素i的灰度值。重心计算统计范围选取1Df ×1Df正方形。
3.3 ICCD探测下限用于探测高能宇宙线的三维成像量能器使用在轨采集的最小电离事例 (Minimum ionizing particle, MIP) 对每个单元进行刻度。对HERD原理样机的探测单元，1 MIP相当于30 MeV为探测下限。这就需要调整像增强器增益、CCD增益等工作参数，使ICCD能够以较高的精度测量最低至30 MeV的信号，同时保证可使用的动态范围不被过度压缩。
ICCD存在多种噪声来源，例如LYSO固有的放射性、各光电转换器件的发射噪声、CCD的暗电流、读出噪声等，最终都会叠加到背景涨落，导致基线展宽。图 7给出了其中一路背景灰度值（灰度值计算方法见§3.2）的分布（基线峰），用高斯拟合，半宽度σ约等于24灰度值。
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图 7 一路光斑对应的背景灰度值分布 Figure 7 Grayscale distribution of background for one channel |
经过测试发现提高CCD的电子学增益并不会减小噪声和信号相对涨落，反而会压缩模数转换器 (Analog-to-digital converter, ADC) 可用的输出范围，使像素灰度值更容易达到4095的上限，因此将CCD增益设置为0，只调整像增强器增益。考虑到背景涨落以及各探测单元响应的不一致性的影响，调整像增强器增益使所有单元的MIP信号平均在300灰度值左右，可保证大部分通道MIP峰与基线峰基本无重叠，降低刻度误差。
3.4 ICCD线性测量根据§3.3中描述的方法确定ICCD工作参数后，需要在该条件下测量ICCD线性。基本方法为双光源对比法，即用两只LD（设为LD_A、LD_B）同时照射WLSF得到光斑灰度值L(AB) 与分别单独照射得到的L(A)、L(B) 对比，定义光斑灰度值为L(AB) 时偏离线性的程度为：{1-[L(A)+L(B)]/ L(AB)}×100%。
图 8(a)在较大的光强范围内给出了ICCD响应曲线，光强Lg, s在30000灰度值左右开始偏离线性，60000灰度值左右偏离超过了100%。30000-60000灰度值之间是轻度饱和区域，可以通过拟合响应曲线的方法修正，超过60000是过饱和区域，信号涨落较大导致修正误差较大，最终影响能量分辨率。
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图 8 光斑灰度值在不同范围内偏离线性的程度 (a) 1000-200000，(b) 150-25000 Figure 8 Non-linearity of light facula grayscale over different ranges (a) 1000-200000, (b) 150-25000 |
图 8(b)显示了较弱的光强下ICCD的响应，在150-25000灰度值范围内，线性优于3%。如果将MIP信号大小控制在300灰度值左右，ICCD能量响应线性区的上限可达到2.5 GeV，通过修正饱和效应可扩展到5 GeV。
3.5 ICCD光强分辨率ICCD探测固定强度的光信号时，重建出的光斑灰度值会存在涨落，可用光强分辨率σL/Lg, s（也称为光子数分辨率）描述，与晶体、WLSF带来的涨落叠加，最终影响能量分辨率。
从图 9给出的结果可知，在线性区域内，ICCD不同通道光强分辨率很接近，该曲线为：
| $\frac{{{\sigma _L}}}{{{L_{{\rm{g,s}}}}}} = \frac{{2.76}}{{\sqrt {{L_{{\rm{g,s}}}}} }} \oplus 0.032$ | (2) |
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图 9 ICCD 4个通道与PMT（XP2020，高电压1800 V）光强分辨率曲线 Figure 9 Light intensity resolution curves of 4 channels of ICCD and PMT (XP2020, high voltage 1800 V) |
PMT的光强分辨率明显优于ICCD：
| $\frac{{{\sigma _L}}}{{{L_{{\rm{g,s}}}}}} = \frac{{1.22}}{{\sqrt {{L_{{\rm{g,s}}}}} }} \oplus 0.008$ | (3) |
为了对比PMT和ICCD两种读出方式对能量分辨率的影响，我们用蒙特卡罗方法模拟100 GeV电子照射三维成像量能器，并加入式 (2) 和 (3) 描述的涨落项，模拟程序为GEANT 4.9.6[13]。结果显示对100GeV电子，与PMT读出相比，ICCD读出会使能量分辨率变差1.3%。由于宇宙线能谱为幂律谱，高能区的事例极少，统计涨落对能谱测量误差的贡献占主导，因此ICCD对误差的额外贡献是可以接受的。
3.6 串扰修正光斑的尺寸随着入射光变强而增大，相邻的光斑之间不可避免地会发生重叠现象，也称为串扰。串扰效应会使重建能量值偏大，因此需要在排除其他光斑干扰的情况下测量每一路光斑的形状，得到不同光强下的灰度值分布，建立串扰矩阵，修正原始数据。
设光斑i的真实灰度值为Gi，测量灰度值为Vi，光斑i对光斑j的串扰为Hj, i，Hj, i定义为i通道WLSF被单独照射时，被串扰光斑j区域与光斑i本体的灰度值之比，则光斑j的测量灰度值可由式 (4) 得到：
| ${V_j} = \mathop \sum \limits_{i = 1}^{250} {H_{j,i}} \cdot {G_i}$ | (4) |
写成矩阵形式为：
| $\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 1&{{H_{1,2}}}&{{H_{1,3}}}& \cdots &{{H_{1,250}}}\\ {{H_{2,1}}}&1& \cdots & \cdots &{{H_{2,250}}}\\ {{H_{3,1}}}&{{H_{3,2}}}&1& \cdots & \vdots \\ \vdots & \vdots & \vdots &{}& \vdots \\ {{H_{250,1}}}&{{H_{250,2}}}& \cdots & \cdots &1 \end{array}} \right]\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{G_1}}\\ {{G_2}}\\ \vdots \\ \vdots \\ {{G_{250}}} \end{array}} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{V_1}}\\ {{V_2}}\\ \vdots \\ \vdots \\ {{V_{250}}} \end{array}} \right]$ |
在已知观测灰度值矩阵V的情况下，只要能够估算出串扰矩阵H，就可以通过简单的矩阵运算得到光斑真实灰度值矩阵G：
| $G = {H^{ - 1}}V$ | (5) |
图 10给出了ICCD其中一个通道对相邻通道（距离为1Df）的串扰，串扰随着光斑亮度增大，因此串扰矩阵不唯一，需要根据每个光斑的亮度计算它们在该亮度下对其它通道的串扰，逐事例建立串扰矩阵进行修正。
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图 10 ICCD一个通道产生的光斑对相邻通道串扰随光斑灰度值的变化 Figure 10 Crosstalk curve for the neighbor facula |
为验证ICCD系统用于三维成像量能器读出方案的可行性，我们利用CERN-SPS (Super Proton Synchrotron at the European Organization for Nuclear Research) 提供的高能粒子束对样机进行了照射实验。实验条件基本设置为：粒子束沿着Z方向（层数为10）正入射，入射位置处于XY面中心，由前置的4层塑料闪烁体探测器做符合为ICCD提供触发。
首先用50 GeV π+和质子“二者均为最小电离粒子”混合束流对所有单元进行了刻度。图 11给出了单个通道MIP信号的灰度值谱，左峰为ICCD背景与晶体自放射信号的叠加，右峰为MIP峰，分别用高斯卷积朗道函数拟合，峰位差为MIP信号幅度。束流粒子为质子和π+。30 MeV与该峰位差的比值即刻度系数。根据拟合结果可知该单元MIP信号大小为437.5灰度值，分辨率约为14%。
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图 11 利用MIP信号对量能器单元进行刻度 Figure 11 Calibration for one calorimeter cell using MIP |
图 12为所有250路单元MIP信号大小的分布，可以看出250路单元刻度系数差别较大，高斯拟合的结果为365±75灰度值，可推算出平均最大可探测能量为2 GeV左右，比预期的略低。较差的一致性主要来自晶体封装、WLSF螺旋加工、WLSF与ICCD耦合等工艺。
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图 12 所有250路单元刻度系数分布 Figure 12 Distribution of calibration factor for all channels |
每个量能器单元的能量重建需计算ICCD图像中对应的光斑的灰度值，修正串扰效应后再根据响应曲线（图 10）修正出现饱和效应的单元，最后乘以刻度系数得到能量值。图 13为应用此方法对10GeV电子事例进行重建得到的总沉积能量分布，峰位9.55 GeV，能量分辨率5.1%。沉积能量略小于入射能量，这是因为有2%沉积在量能器支撑结构中，还有2%-3%的横向和纵向泄漏，包括从单元之间的缝隙泄漏的部分（与粒子入射位置有关）。图 14、15直观地显示了10 GeV电子产生的电磁簇射在样机中的发展，在第一层簇射开始发展，在第三层达到极大，在第8层被全部吸收。
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图 13 10 GeV电子在量能器中总沉积能量分布 Figure 13 Energy deposition in the calorimeter for 10-GeV electrons |
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图 14 10 GeV电子簇射在样机量能器中的纵向发展 Figure 14 10-GeV electron shower development in the HERD prototype |
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图 15 10 GeV电子簇射形状在XZ平面做的投影 Figure 15 XZ view of 10-GeV electron shower shape |
束流照射实验的结果表明从ICCD图像可以重建出粒子入射能量，初步验证了ICCD系统用于三维成像量能器读出方案的可行性。
5 结语本工作主要测量了ICCD系统的线性（动态范围）、光强分辨率、串扰特性等基本性能，根据测试结果确定了数据处理方法，并设计了使用ICCD读出方案的三维成像量能器样机。在CERN-SPS进行的束流实验使用高能p+/质子对量能器单元刻度并使用10 GeV电子照射量能器。通过对ICCD图像的分析和处理能够重建入射电子的能量，基本验证了ICCD读出方案的可行性。
下一步的工作主要是新样机的设计。首先，需要通过改进工艺改善探测单元之间的一致性；重新设计读出系统，采用像素分辨率更好、动态范围更大、帧频更高、集成高速电子快门的IsCMOS (Image intensified scientific Complementary Metal Oxide Semiconductor)，预计新样机的性能会得到有效的提升。
我们计划使用更高能量的电子和质子验证新样机的响应线性，测量能量分辨率曲线、角分辨和粒子鉴别能力。
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