[论文解读] Energy response of GECAM Gamma-Ray Detector (GRD) prototype

Dali Zhang, Xinqiao Li+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2018

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 15被引用 3

一句话总结

本文评估了GECAM任务中伽马射线探测器（GRD）原型机的能量响应性能，该探测器采用LaBr3:Ce闪烁体、SiPM阵列及双增益前置放大器，用于探测6 keV至5 MeV的伽马射线。原型机在662 keV能量处实现了5.3%的全宽半高（FWHM）能量分辨率，满足任务要求的<8%，并通过放射性核素和Geant4模拟验证了精确的能量校准。

ABSTRACT

The Gravitational wave high-energy Electromagnetic Counterpart All-sky Monitor (GECAM) , composed of two small satellites, is a new mission to monitor the Gamma-Ray Bursts (GRBs) coincident with gravitational wave events with a FOV of 100% all-sky. GECAM detects and localizes 6 keV-5 MeV GRBs via 25 compact and novel Gamma-Ray Detectors (GRDs). Each GRD module is comprised of a LaBr3:Ce scintillator, SiPM array and preamplifier. A large dynamic range is achieved by the high gain and low gain channels of the preamplifier. This article discusses the performance of a GRD prototype which includes a set of radioactive sources in the range of 5.9-1332.5 keV. The energy resolution and energy to ADC channel conversion of the GRD module are also discussed. The typical energy resolution is 5.3% at 662 keV (FWHM) which meets the relevant requirements (< 8% at 662 keV). The energy calibration capability is evaluated by the measured intrinsic activity of LaBr3:Ce and Geant4 simulation results. The test results demonstrate the feasibility of the GECAM GRD design.

研究动机与目标

• 评估GECAM伽马射线探测器（GRD）原型机在空间伽马射暴监测中的能量响应性能。
• 验证GRD原型机在662 keV（FWHM）处的能量分辨率是否满足小于8%的任务要求。
• 利用LaBr3:Ce的固有活性及Geant4模拟结果对能量响应进行校准。
• 证明GRD设计在与引力波事件同时探测全天空伽马射暴方面的可行性。

提出的方法

• GRD原型机采用LaBr3:Ce闪烁体与SiPM阵列耦合，用于伽马射线探测。
• 双增益前置放大器电路通过在高增益与低增益通道之间切换，实现大动态范围。
• 利用能量范围为5.9–1332.5 keV的放射性核素进行能量校准，以表征能量响应特性。
• 在关键伽马射线能线（包括来自137Cs的662 keV）处测量能量分辨率，以评估性能。
• 采用Geant4模拟对探测器响应进行建模，并验证固有活性测量结果。
• 基于校准数据和模拟结果，推导能量与ADC通道之间的转换关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 GRD原型机在662 keV（FWHM）处是否实现了小于8%的所需能量分辨率，以满足伽马射线探测要求？
• RQ2 利用固有活性和Geant4模拟结果进行能量校准时，GRD原型机的能量校准精度如何？
• RQ3 双增益前置放大器设计在6 keV至5 MeV能量范围内，对实现大动态范围的支持程度如何？
• RQ4 测量得到的能量分辨率和响应是否可通过实验数据与模拟结果共同验证？

主要发现

• GRD原型机在662 keV处实现了5.3%（FWHM）的能量分辨率，满足任务要求的<8%。
• 能量校准通过LaBr3:Ce闪烁体的实测固有活性及Geant4模拟结果的一致性得到验证。
• 双增益前置放大器设计成功实现了在6 keV至5 MeV能量谱范围内的大动态范围。
• 利用放射性校准源和模拟数据，准确建立了能量与ADC通道之间的转换关系。
• 原型机在测试能量范围（5.9–1332.5 keV）内表现出稳定且可重复的能量响应。
• 整体性能证实了GRD设计在GECAM任务全天空伽马射暴监测中的可行性。