迪泰克碲锌镉探测器助力中国科学技术大学研究团队发表新成果
近年来，迪泰克碲锌镉（CZT）探测器在空间探测领域取得了显著成果。2016年，实践十号返回式科学实验卫星搭载了迪泰克研制的CZT探测器，成功获得了空间辐射研究数据。随后，在神舟十二号至神舟十七号系列载人飞船中，航天员均配备了由迪泰克提供的CZT探测器作为核心部件的辐射剂量仪，进一步验证了其在极端环境下的稳定性和可靠性，也为其在更多领域的应用打下了坚实的基础。
近日，中国科学技术大学研究团队针对深空探测领域的行星表面元素测量需求，开展了小型化伽马谱仪关键技术的研究，研制了一款地面原理样机并开展了初步实验，其中采用了迪泰克CZT探测器作为核心元件。该研究成果已经发表于“核电子学与探测技术”期刊，并被采用为期刊封面。
未来，随着技术的不断进步和应用领域的拓展，迪泰克CZT探测器有望在行星探测、深空探测等领域发挥更加重要的作用。
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中国科学技术大学刘树彬、封常青教授团队：面向行星表面元素测量的小型化伽马谱仪原理样机设计 | 2024年1期封面文章
核电子学与探测技术 2024-03-28 18:47 北京
本期封面
面向行星表面元素测量的小型化伽马谱仪
原理样机设计
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研究背景
行星表面元素的空间分布测量对于理解行星的起源演化和行星资源的开发利用都有着重要意义。对行星表面物质受宇宙射线激发或天然衰变而产生的伽马射线进行探测，是一种测量行星表面的主要元素成分及其空间分布的可靠技术手段，已被国内外多个深空探测任务采用。
研究创新点
针对行星元素伽马谱仪的高分辨、小型化、低功耗和高可靠等需求，本文提出了将CZT 探测器与闪烁晶体相结合的小型化行星元素伽马谱仪方案。该方案中CZT 探测器与闪烁晶体构成反符合结构，兼具低能段的高能量分辨率和高能段的高探测效率，可以减少来自非探测方向的伽马射线背景的影响，能够在常温下工作，不需要配套的制冷设备。因此谱仪具有较小的体积、较轻的重量、简单的系统结构和高可靠性。
本文仿真验证方案的可行性后，设计并实现了将 CZT 阵列与 BGO 探测器相结合的小型化伽马谱仪原理样机，并进行了初步的实验验证。在中子激发伽马实验中，CZT 探测器可以很好地分辨低能伽马射线， BGO 探测器能够较好地探测高能伽马射线，初步验证了探测方案的可行性，该方案为未来小型化行星探测伽马谱仪的工程化设计提供了参考。
图文摘要
图1 行星伽马射线产生过程
行星表面伽马射线的产生过程如图1所示，宇宙射线与行星表面物质发生相互作用产生次级中子，次级中子再与行星表面物质发生非弹性散射和中子俘获，这些过程可以使行星表面物质的原子核激发，产生特定能量的光子，能量范围通常为0.2 ~ 10 MeV。其次，天然放射性元素（K、Th、U）在衰变中也会产生伽马射线，能量范围通常为0.2 ~ 3 MeV。各元素产生的伽马射线具有特征能量，通过探测行星伽马射线的能谱，可以确定行星表面元素的种类和丰度。
图2 本文探测行星伽马射线的方案示意图
本文探测行星伽马射线的方案如图2所示。考虑几种伽马射线事例：1、来自行星的伽马射线，穿透CZT探测器（能量部分沉积在CZT探测器上，部分沉积在闪烁晶体上）；2、来自行星的伽马射线，被CZT探测器完全吸收；3、来自行星的伽马射线，被闪烁晶体吸收；4、来自飞行器的伽马射线，被闪烁晶体吸收。CZT探测器选择事例2，即该事例在CZT探测器上有响应而在闪烁晶体上没有响应，可以确定是来自探测方向的伽马射线，用于低能伽马射线能量的精确测量。
图3 谱仪原理样机结构
原理样机的结构如图3所示。探测器部分包含CZT探测器和闪烁晶体。在闪烁晶体一端可挖一圆形井，使CZT探测器放入其中，以反符合屏蔽非前方入射的伽马射线。为了实现小型化设计，本文使用硅光电倍增器(SiPM)阵列读出闪烁晶体信号，为保证避光，将SiPM与闪烁晶体一起封装在铝壳中。样机还包含电子学部分的前端模块（FEB）、数据处理模块（DPU）和电源模块（PSU）。
图4a CZT探测器的仿真能谱
图4b 闪烁晶体的仿真能谱
对探测器模型进行仿真输入伽马射线束。线束具有行星表面伽马射线能量和通量特征，用于验证本文探测器模型对行星表面元素的分辨能力和探测效率。图4a所示为8个CZT探测器的仿真能谱结果，结果显示CZT探测器在2 MeV的能量下有很好的分辨效果。图 4b为BGO、NaI(Tl) 和LaBr3(Ce)三种闪烁晶体的仿真能谱结果，BGO晶体在高能区的探测效率最高，LaBr3(Ce)晶体的特征谱线区分效果最佳。
图5 行星元素伽马谱仪原理样机
将CZT探测器、BGO晶体和电子学模块组装，得到如图5所示的行星元素伽马谱仪原理样机。
图6a CZT探测器测到的中子激发氧化铁的能谱
图6b LaBr3(Ce)和BGO测到的中子激发氧化铁能谱
在中国科学院合肥物质科学研究院核能安全技术研究所开展了中子激发伽马实验。使用氘-氚中子发生器所产生的中子（初始能量约为14 MeV）激发样品，来模拟行星表面产生伽马射线的过程。实验中使用了25 kg的氧化铁（Fe2O3）样品，图6a和6b为测试20分钟得到的谱仪CZT探测器和现场LaBr3(Ce)晶体以及谱仪BGO晶体的伽马能谱图。
结论与展望
本文提出了一种CZT探测器与闪烁晶体相结合的小型化行星元素伽马谱仪技术方案。该方案兼具低能段的高能量分辨率和高能段的高探测效率，并可以通过反符合抑制来自非探测方向的伽马射线背景的影响。该谱仪可以在常温下工作，无需制冷，具有结构简单、体积小、重量轻的优势。本文对该方案进行了物理仿真，并实现了基于CZT探测器与BGO晶体的谱仪原理样机。最后使用放射源、上海光源激光伽马束线和中子激发伽马对该样机进行了测试，初步验证了技术路线的可行性。未来将进一步继续尝试其它的具有更高能量分辨、且具有高探测效率的闪烁晶体，采用更大尺寸的CZT探测器以提升其综合性能，并开展更详细的地面实验。
团队介绍
团队研究领域：核与粒子物理实验的读出电子学，包括低噪声电荷测量、高精度时间测量、高速高精度模数变换、高速实时信号处理，以及空间粒子探测科学载荷的高可靠电子学研究等。
刘树彬，中国科学技术大学近代物理系/核探测与核电子学国家重点实验室教授，2020年国家杰出青年科学基金获得者。主要致力于核电子学领域新型探测器及前端电子学方法、高精度时间测量／高速高精度模数变换、空间科学载荷高可靠性电子学等方面的研究工作，先后承担数项国家自然科学基金项目、中国科学院知识创新工程项目、中国科学院战略性先导科技专项等基础科研任务。曾作为主任设计师负责我国空间科学卫星系列首发星－暗物质粒子探测卫星“悟空”号关键分系统（BGO量器）研制，实现了迄今为止最宽的在轨观测能量范围和最优的能量分辨率，入选“2018年度中国科学院杰出成就奖”（主要完成者）、“中国科学院“十二五”突出贡献团队”。目前主持国家自然科学基金杰青项目“核电子学方法研究及应用”、重点项目“成像型电磁量能器关键技术研究”、中国科学院C类先导专项之课题“高速瞬态波形记录与时间测量”、国家重点研发专项“基于惰性气体探测器的直接暗物质探测实验”中低本底电子学课题等。
封常青，2011年于中国科学技术大学获得博士学位，现为中国科学技术大学近代物理系/核探测与核电子学国家重点实验室教授。多年来一直围绕核与粒子物理的实验前沿，从事粒子探测器的读出电子学研究。具体方向包括高精度时间测量、低噪声大动态范围电荷测量、高速信号采集和处理等，并围绕我国的北京谱仪升级（BESIII）、暗物质粒子探测卫星（“悟空”号）、锦屏地下实验室的无中微子双贝塔衰变实验等多个重大科学工程的需求，参与或主持了读出电子学系统的技术攻关、设计和建造工作。获得2017年度安徽省科技进步一等奖（第3完成人）、2019年度安徽省科技进步一等奖（第3完成人）等科技奖励，获评中国科学院卓越创新中心（粒子物理前沿）2018年度“青年优秀人才奖”、2019年度“青年拔尖人才奖”，并获得2019年国家自然科学基金优青项目的支持。
黄磊，本科毕业于中国科学技术大学近代物理系，目前为中国科学技术大学近代物理系硕士研究生。
王轶超，中国科学技术大学近代物理系/核探测与核电子学国家重点实验室 博士研究生
王 宇，中国科学技术大学近代物理系/核探测与核电子学国家重点实验室 副研究员
王 婷，中国科学技术大学核科学技术学院 硕士研究生
引用格式
[1]黄磊,王轶超,封常青等.面向行星表面元素测量的小型化伽马谱仪原理样机设计[J].核电子学与探测技术,2024,44(01):6-17.
