利用GAPS实验中的Si(Li)跟踪器模块进行X射线和粒子检测

《IEEE Transactions on Nuclear Science》：X-Ray and Particle Detection With the Si(Li) Tracker Module of the GAPS Experiment

锂漂移硅探测器模块架构与低噪声读出实验研究，为南极暗物质探测气球任务设计核心组件。模块集成4个Si(Li)探测器与定制ASIC，通过X射线源和宇宙μ子验证了有效工作及粒子识别性能。

　　

摘要：

本文描述了锂漂移硅（Si(Li)）探测器模块的架构及其特性测试的实验结果。该模块是通用反粒子谱仪（GAPS）实验中用于探测暗物质的跟踪器的基本组成部分。该仪器旨在识别低能宇宙反核粒子（反质子、反氘核和反氦核），计划于2025年末在南极进行长时间气球飞行期间使用。GAPS的Si(Li)跟踪器是该仪器的核心，由252个模块组成，每个模块包含四个Si(Li)探测器和一个专为探测器读出设计的完全定制的集成电路，采用商用180纳米平面CMOS技术制造。本文提供了探测器模块架构及其组件的总体概述，以及低噪声模拟读出通道特性测试的设置和实验结果。为了验证整个模块的有效运行，还提供了关于241Am源产生的X射线和宇宙μ子探测的结果。

引言

通用反粒子谱仪（GAPS）是一项在南极进行的长时间气球搭载实验，旨在测量低能（<0.25 GeV/n）宇宙反核粒子的通量，以作为暗物质的标志。通过基于奇异原子形成和衰变的新检测方法，GAPS将提供一个高统计量的反质子谱，覆盖目前尚未充分探索的低能区域。它还将对反氘核和低能宇宙反氦核具有前所未有的灵敏度[1]，[2]。GAPS仪器的检测策略依赖于两部分：一个精密计时的大面积飞行时间（TOF）和触发系统[3]，这些系统围绕着一个由新型振荡热管冷却的十层硅跟踪器[4]。图1展示了GAPS仪器的概览。硅跟踪器是仪器的核心，其中入射的反核粒子通过解激发和核湮灭产物产生的X射线被捕获和识别。跟踪器的每一层都是通过组装模块实现的。每个模块由四个定制设计的锂漂移硅（Si(Li)）探测器[5]，[6]和一个专用应用特定集成电路（ASIC）[7]组成，用于探测器读出。

图1显示了GAPS仪器的概览，并标出了各个组件。在首次飞行中，跟踪器共包含1008个活性探测器，分布在上面的七层中。下面三层的432个插槽填充了非活性靶材料，这些插槽可以在未来的飞行计划中替换为活性探测器。活性材料和靶材料的布置已经优化，以最大化粒子识别效率。