摘要
0.3～100MeV能段覆盖了多数天体辐射峰值及核伽马特征谱线，但国内外对这一能段的探测几乎处于空白，是伽马射线天文探索中最后一块“缺失”的能段。为了填补这一空白，中国科学院高能物理研究所提出了 MeV伽马射线天文台(MeVGRO)概念，拟解决的前沿科学问题有:超新星等爆炸机制、重元素的起源、宇宙线及高能辐射起源问题等。MeVGRO包括硅径迹探测器、低能量能器(LECA)、高能量能器、反符合探测器和暴发监测器五个载荷。LECA的主要功能是实现对低能段300keV～50MeV伽马射线能量的精确测量，同时作为康普顿散射成像的辅助探测器，提供伽马射线散射光子的作用位置或直接提供径迹信息，因此需要具有较好的能量分辨和高灵敏度观测能力。LECA的探测器选择3D碲锌镉(CdZnTe,CZT)像素探测器，本课题的主要任务是搭建一套高分辨3D位置灵敏MeV探测器系统，为LECA所需的读出电子学系统进行先期预研和验证。 本课题自行设计并委托迪泰克公司生产了 3D像素型CZT探测器，针对该探测器设计并研制了一套读出电子学系统。经过调研对比，选用挪威I DEAS公司生产的VATA450.3芯片作为前端电子学的核心，设计并研制了 CZT探测器阳极读出电路。以ZYNQ7035芯片为核心搭建了数据采集与管理单元，包括PZ7035开发板、六合一串口模块和自行设计并研制的信号调理电路。基于Verilog语言开发编写了 ASIC芯片模式控制代码和串口通信代码，实现了 ASIC芯片内部寄存器的配置、探测器信号采集、信号模数转换和科学数据打包读出等功能。 硬件研制完成后，对前端电子学进行了测试，得到前端电子学的噪声能量下限为0.022 fC,动态范围为-14.65 fC～0 fC,最佳采样时间为1.8μs。以ASIC第16通道为例测试通道线性，注入电荷在0～8.76 fC区间时，积分非线性INL为1.58％,线性度良好。将CZT探测器与前端电子学连接，对探测器系统进行性能测试。采用5个放射源对系统进行能谱采集，完成能量刻度，得到了 E-C的线性关系。分析能谱数据，得到探测器系统噪声能量下限为19.8keV,覆盖的能区范围为19.8 keV～1.2 MeV,各像素能量分辨率为1.18％～3.32％@662 keV,绝大多数通道能量分辨率优于2.5％@662 keV。 自行研制的高分辨3D位置灵敏MeV探测器系统，其探测器及读出电子学系统性能良好，达到并优于预期指标，实现了 LECA所需的读出电子学系统预研和验证的目标。
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