用于扩展能量动态范围的双增益 SiPM 板研制

对几百 keV 至几百 MeV 范围内伽马射线的天文观测目前代表最少被探索的能段。为应对这一所谓的 MeV 缺口，我们设计并构建了一个使用商用现货（COTS）SiPM 与前端电路的 CsI:Tl 量能器原型仪器，其可作为更大伽马射线任务概念的子系统。在研制过程中，我们观测到能量响应中的显著非线性。此外，使用 COTS 读出时，该量能器无法覆盖望远镜所需的四个数量级的能量范围。因此，我们研制了双增益硅光电倍增管（SiPM）板，其利用两种分别读出的 SiPM 品类以提高读出的动态能量范围。本工作中，我们研究了 SiPM 在有效面积（$3\times3 \ \mathrm{mm}^2$ 与 $1 \times 1 \ \mathrm{mm}^2$）及不同微元尺寸（$10$、$20$ 与 $35 \ \mu \mathrm{m}$）方面的响应。我们使用采用双增益 SiPM 读出 $3\times3\times6 \ \mathrm{cm}^3$ 的 CsI:Tl 块，两种 SiPM 品类均利用 $35 \ \mu \mathrm{m}$ 微元，并在高能伽马射线与质子束测试中演示了该概念。我们还研究了 $17 \times 17 \times 100 \ \mathrm{mm}^3$ 的 CsI 条对高能质子的响应。借助 COTS 读出，我们展示了对 $60 \ \mathrm{MeV}$ 质子的灵敏度，两种 SiPM 品类在约 $2.5-30 \ \mathrm{MeV}$ 范围内重叠。该研制旨在为未来基于闪烁体的高能量能器演示概念，可应用于伽马射线天体物理。