Balloon Flight Test of a Compton Telescope Based on Scintillators with Silicon Photomultiplier Readouts
我们提出的第一个高空气球飞行试验的结果的概念，先进的康普顿望远镜利用现代闪烁体材料与硅光电倍增器（SiPM）读数。在高能天文学和太阳物理学领域需要能够进行灵敏观测的新的中能伽马射线（~0.4 - 10 MeV）探测器。具有SiPM读数的基于快速闪烁体的康普顿望远镜是对该仪器挑战的有希望的解决方案，因为闪烁体的快速响应允许通过飞行时间（ToF）辨别来拒绝背景。太阳康普顿望远镜（SolCompT）原型的设计是为了证明这项技术在气球飞行条件下的稳定性能。SolCompT仪器是一个简单的双元件康普顿望远镜，由一个大约1英寸的圆柱形芪晶体作为散射探测器和一个1英寸的立方LaBr 3：Ce晶体作为量热计探测器组成。两个闪烁体探测器均由Hamamatsu S11828-3344 MPPC装置的2 × 2阵列读出。定制前端电子器件提供最佳信号上升时间和线性度，定制电源自动调整SiPM偏置电压，以补偿温度引起的增益变化。一个标记的校准源，包括~240 nCi的钴-60嵌入塑料闪烁体，被放置在视野中，并提供了一个已知的伽马射线源，以测量飞行。SolCompT气球有效载荷于2014年8月24日从新墨西哥州的萨姆纳堡发射，并在约123，000英尺的漂浮高度上花费了约3.75小时。该仪器在整个飞行过程中表现良好。在对小的（~10%）残余增益变化进行校正后，我们测量到飞行中ToF分辨率为~760 ps（FWH…
2016-02-24 astro-ph.IM physics.ins-det
Light-Trap: A SiPM Upgrade for VHE Astronomy and Beyond
甚高能（VHE，E>100 GeV）区域的地基伽马射线天文学已迅速成为当今天体物理学中最有趣和最富有成效的子领域之一。利用成像大气切伦科夫技术（IACT）重建来自宇宙的入射伽马射线光子的能量和方向，前几代和当前几代IACT望远镜（例如Whipple，MAGIC，HESS和VERITAS）已经揭示了几个源类别。下一代指向IACT实验，切伦科夫望远镜阵列（CTA），将在更宽的能量范围内提供更高的灵敏度和更好的角分辨率。随着CTA的发展，IACT指向阵列的未来正朝着拥有越来越多的望远镜（以及相机）的方向发展，因此开发具有可接受的光收集效率的低成本像素的需求是明确的。实现上述目标的主要途径之一是用硅-PM（SiPM）代替光电倍增管（PMT）作为IACT望远镜相机中的像素。然而，SiPM尚未成熟到足以取代PMT，原因有几个：对不需要的较长波长的敏感性，而在短波长下缺乏敏感性，物理面积小，成本高，光学串扰和暗速率。在这里，我们提出了一种新的方法来建立相对低成本的SiPM为基础的像素，利用波长偏移材料的磁盘，它克服了这些缺点，通过收集光在一个更大的面积比标准的SiPM和提高灵敏度，以更短的波长，同时减少背景。我们的目标是优化这些像素的设计，将它们集成到一个实际的7像素集群中，该集群将被插入到MAGIC相机中，并在实际观测过程中进行测试。模拟结果，实验室测量和集群的设计和发展的现状将提交。
2017-10-21 astro-ph.IM
Design and Performance of a Universal SiPM Readout System for X- and Gamma-Ray Missions
本文提出一种可读出64通道SiPM的低功耗、低成本通用系统，采用商用现货元器件并完成空间鉴定，可服务POLAR-2及多种CubeSat的X/伽马射线探测任务。
2025-06-17 astro-ph.IM
First-principle event reconstruction by time-charge readouts for the Taishan Antineutrino Observatory
针对台山反中微子观测站（TAO）的反应堆中微子能谱测量需求，提出基于第一性原理的SiPM时间-电荷纯概率重建模型，实现优于20mm的顶点分辨率及1MeV处2%的能量分辨率，为无分段探测器的计算径迹量能器研究奠定基础。
2025-04-19 astro-ph.IM hep-ex physics.ins-det
Calibration and operation of SiPM-based cameras for gamma-ray astronomy in presence of high night-sky light
下一代切伦科夫望远镜相机具有硅照片倍增器（SiPM），可以保证出色的性能，并允许在月光下进行观察，增加占空比，从而增加物理范围。设计了一个直径4米的Davies-Cotton原型望远镜，具有9度光学FoV和1 296像素SiPM相机，以满足下一代最高能量地面伽马射线观测站的要求。用于阵列部署的望远镜的大规模生产需要开发一种全自动校准策略，该策略依赖于专用硬件，即相机测试设置（CTS）。对于每个摄像头像素，CTS配备了两个LED，一个以脉冲模式运行以再现信号，另一个以连续模式运行以再现夜空背景。在这方面的贡献，我们将提出相机校准策略，从实验室测量到现场监测，重点是与第一台相机原型所获得的结果。此外，还将介绍电荷分辨率、时间分辨率和触发效率等关键性能及其随夜空背景水平增加而降低的情况。
2019-08-19 astro-ph.IM
Low-Noise SiPM Light Readout and ASIC-Based Charge Readout of a Liquid Argon Time Projection Chamber for MeV Gamma-Ray Measurements
RIKEN Nishina Center（理化学研究所西崎中心）；University of Osaka（大阪大学）；Kavli IPMU, University of Tokyo（东京大学伽利略国际基础科学研究所）；University of Tokyo（东京大学）；Waseda University（早稻田大学）；Northeastern University（东北大学）
研究开发紧凑型液氩时间投影室 NanoGRAMS 用于 MeV 伽马射线测量，通过低噪声 SiPM 光读出和基于 ASIC 的电荷读出系统，结合蒙特卡罗模拟，经钴源照射实验验证，证明其作为康普顿相机用于伽马射线成像光谱的可行性。
2026-07-14 astro-ph.IM hep-ex
The Camera and Readout for the Trinity Demonstrator and the EUSO-SPB2 Cherenkov Telescope
本文介绍了一款用于探测掠地 PeV 至 EeV 级 tau 中微子的模块化硅光电倍增管相机，详细阐述了为 Trinity Demonstrator 和 EUSO-SPB2 制造的两台液冷相机的概念设计、硬件配置及表征测试与校准结果。
2024-06-12 astro-ph.HE astro-ph.IM hep-ex
Study of silicon photomultipliers for the readout of scintillator crystals in the proposed GRIPS γ-ray astronomy mission
高能天文学在未来十年的最高优先事项之一是在硬X射线/软γ射线（10-600 keV）和中能γ射线（0.2-80 MeV）波段进行灵敏的探测。历史上，软和中能γ射线波段的观测一直是使用基于光电倍增管（PMT）读出的无机闪烁器的探测器进行的。这些观测受到传统闪烁体材料（如碘化钠和碘化铯）的能量和时间分辨率不高以及笨重、易碎、高压光电倍增管对任务资源的要求的限制。新的闪烁体材料（如LaBr 3：Ce，L（Y）SO）和新的闪烁光读出装置（如硅光电倍增器）的开发方面的最新技术进展有望大大提高未来基于闪烁体的γ射线望远镜的观测能力，同时保持闪烁体仪器的相对简单性、可靠性、大收集量和低成本。我们目前的初步研究结果的使用硅光电倍增器的热量计模块设计的建议GRIPS天体物理学任务。
2013-02-23 astro-ph.IM physics.ins-det
Development of an advanced SiPM camera for the Large Size Telescope of the Cherenkov Telescope Array
硅光电倍增器（SiPM）已成为切伦科夫望远镜阵列（CTA）小型望远镜（SST）相机的基本选择。另一方面，SiPM在该领域相对较新，覆盖大表面并以高数据速率运行仍然是超越光电倍增管（PMT）的挑战。与PMT相比，在近红外和更长信号中的更高灵敏度导致SiPM的夜空背景率更高。然而，SiPM的鲁棒性代表了一个独特的机会，以确保长期运行，低维护和更好的占空比PMT。用于大型望远镜的拟议相机将具有0.05度像素，低功耗和快速前端电子设备以及全数字读数。在这项工作中，我们提出了专门的模拟和数据分析的性能估计的状态。的设计特点和不同的策略，确定，到目前为止，以满足苛刻的要求和提高性能的描述。
2021-08-23 astro-ph.IM
CCAT: Multi-Rate DSP for Sub-mm Astronomy: Polyphase Synthesis Filter Bank on FPGA for Enhanced MKID Readout
本文提出基于 FPGA 的重叠通道多相合成滤波器组（OC-PSB）用于 MKID 读出，摒弃传统查找表实现实时动态信号生成，在保持信噪比与可扩展性的同时提升了带宽与动态范围。
2025-02-01 astro-ph.IM
Characterization of a silicon photomultiplier for the Ultra-Fast Astronomy telescope
我们对滨松光电公司生产的硅光电倍增器S13360- 3050 CS多像素光子计数器（MPPC）进行了表征。使用365 nm、400 nm、525 nm、660 nm、720 nm、810 nm和900 nm发光二极管（LED）和由Weeroc制造的Citiroc 1A前端评估系统在不透光的暗箱内获得测量。在2.95 V过电压下，我们测量到在26 $^{\circ}$ C下每秒5.07 x $10^{5}$计数的暗计数率、8.7 $\%$的串扰概率、在400 nm下36 $\%$的光子检测效率、每秒1.8 x $10^{7}$光子的线性范围以及每秒5 x $10^8$光子的饱和度。S13360- 3050 CS MPPC是超快天文望远镜的候选探测器，该望远镜将使用两个SiPM阵列在毫秒至纳秒的时间尺度内表征光学天空，该阵列安装在哈萨克斯坦阿拉木图附近的Assy-Turgen天体物理观测台（NUTTelA-TAO）的0.7米纳扎尔巴耶夫大学瞬态望远镜上。UFA望远镜的一个目标是寻找快速射电暴的光学对应物，可用于确定快速射电暴的起源，并探测星际和星系间介质中再电离和重子物质的时代。
2019-08-28 astro-ph.IM
Readout for Kinetic-Inductance-Detector-Based Submillimeter Radio Astronomy
在亚毫米和远红外波段的天文数据中包含了大量重要的科学信息，包括关于尘埃星系、星系团和恒星形成区的信息;然而，这些波段是天文学中探索最少的领域，因为这类研究涉及技术困难。在过去20年中，为研制亚毫米和毫米波长天文仪器和望远镜作出了相当大的努力。探测器的数量是这类仪器的一个重要特性，也是目前研究的主题。未来的望远镜将需要多达数十万个探测器来满足视场、扫描速度和分辨率方面的必要要求。大像素数是开发使用动态电感检测器（KID）技术的可复用检测器的一个益处。本文介绍了基于KID的仪器的读出电子学的各个方面的发展，该仪器实现了迄今为止在亚毫米/毫米波长成像阵列中实现的最大探测器计数之一：总共2304个探测器。本文中提出的工作已经在多波长亚毫米波电感相机（MUSIC）中实现，这是2013年至2015年期间加州理工学院亚毫米波天文台（CSO）的仪器。
2020-08-27 astro-ph.IM
Performance of the Silicon-On-Insulator Pixel Sensor for X-ray Astronomy, XRPIX6E, Equipped with Pinned Depleted Diode Structure
我们一直在开发事件驱动的X射线绝缘体上硅（SOI）像素传感器，称为“XRPIX”，用于下一代X射线天文卫星。XRPIX是一款单片有源像素传感器，采用SOI CMOS技术制造，并配备了所谓的“事件驱动读出”，它允许通过使用每个像素中实现的触发电路仅读出命中像素。当前版本的XRPIX在事件驱动读出模式下的光谱性能低于帧读出模式，这是由于传感器层和电路层之间的干扰。干扰也降低了增益。为了抑制干扰，我们开发了一种新的设备，“XRPIX6E”配备了钉扎耗尽二极管结构。充分高掺杂的掩埋p阱形成在掩埋氧化物层和传感器层之间的界面处，并且充当屏蔽层。XRPIX6E在事件驱动读出模式和帧读出模式下的光谱性能均优于之前的器件。在帧和事件驱动读出模式下，在6.4 keV处的半峰全宽的能量分辨率分别为236 $\pm$ 1 eV和335 $\pm$ 4 eV。在两种模式下的读出噪声和光谱性能之间存在差异，这表明在事件驱动读出模式下，某些机制仍然会降低性能。
2018-09-27 astro-ph.IM
Kyoto's Event-Driven X-ray Astronomy SOI pixel sensor for the FORCE mission
我们一直在开发单片有源像素传感器，X射线天文SOI像素传感器，XRPIXs，基于绝缘体上硅（SOI）CMOS技术，作为未来日本任务的软X射线传感器，FORCE（聚焦相对论宇宙和宇宙演化）。该任务的特点是宽带（1-80 keV）X射线成像光谱与高角分辨率（$<15$ ~arcsec），与以前的任务相比，我们可以实现约10倍的灵敏度高于10 keV。通过在每个像素中实现的事件触发输出功能，可以立即读出仅被X射线击中的像素，时间分辨率高于$10~{\rm μsec}$（事件驱动读出模式）。它使我们能够进行快速定时观测，并通过采用反符合技术，减少了在5- 10 keV以上高X射线能带的非X射线背景的支配。在本文中，我们介绍了我们的最新结果的发展XRPIXs。(1)我们成功地开发了一种三面可对接的背面照明装置，其成像区域尺寸为21.9 mm $\times$ 13.8 mm，像素尺寸为$36~{\rm μm} \times 36~{\rm μm}$。在事件驱动读出模式下，器件的X射线通量达到0.57 kHz以上。(2)我们开发了一种使用双SOI结构的器件，并发现该结构通过抑制传感器和电路层之间的电容耦合干扰来提高事件驱动读出模式下的光谱性能。(3)我们还开发了一种新的设备配备了钉扎耗尽型二极管结构，并确认该结构减少了暗电流产生的传感器和SiO $_2$绝缘层之间的界面区域。在事件驱动读出模式…
2018-07-29 astro-ph.IM physics.ins-det
Direct comparison of SiPMs and PMTs in operation with a bright background and prospects of using SPADs as truly digital sensors
Max Planck Institute for Physics (Werner Heisenberg Institute)（马克斯·普朗克物理研究所）；Institute for Cosmic Ray Research, The University of Tokyo（东京大学宇宙射线研究所）
研究比较了SiPM与PMT在明亮背景下的性能，探讨了SPAD作为真正数字传感器的应用前景。
2026-02-23 astro-ph.HE astro-ph.IM
High-speed Readout System of X-ray CMOS Image Sensor for Time Domain Astronomy
针对时域天文学卫星任务中CMOS图像传感器数据量大、星上存储受限的问题，本文提出并验证了一种基于FPGA的星上高速X射线事件提取读出系统，可在不存储原始图像数据的情况下实时提取光子事件，并已具备CubeSat搭载条件。
2024-03-15 astro-ph.IM
Fast, low noise, megapixel detector and readout systems for future X-ray astronomy missions
Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, Stanford University（斯坦福大学卡弗里粒子天体物理与宇宙学研究所）；Department of Physics, Stanford University（斯坦福大学物理系）；Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, Massachusets Institute of Technology（麻省理工学院卡弗里天体物理与空间研究所）；SLAC National Accelerator Laboratory（SLAC国家加速器实验室）；MIT Lincoln Laboratory（麻省理工学院林肯实验室）；Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics（马克斯·普朗克地外物理研究所）；The Ohio State University（俄亥俄州立大学）
该研究针对未来X射线天文任务的探测器读出速度瓶颈，提出需开发高通道数、高吞吐量且低噪声的读出架构，以满足高帧频、软X射线响应等性能要求。
2026-08-05 astro-ph.HE astro-ph.IM
Program objectives and specifications for the Ultra-Fast Astronomy observatory
我们提出了第一代超快天文学（UFA）天文台的计划目标和规格，该天文台将通过表征毫秒至纳秒时间尺度内光学（320 nm - 650 nm）天空的变化来探索新的天体物理相空间。UFA天文台的首要目标之一将是寻找快速射电暴的光学对应物，可用于确定快速射电暴的起源，并探测星际和星系间介质中再电离和重子物质的时代。UFA相机将由两个单光子分辨率快速响应探测器16 x16阵列组成，它们安装在位于哈萨克斯坦阿拉木图附近的Assy-Turgen天体物理观测台的0.7米纳扎尔巴耶夫大学瞬态望远镜上，同时运行。我们目前正在开发两个读出系统，可以测量到微秒和纳秒的时间尺度和表征两个硅光电倍增器（SiPM）和一个光电倍增管（PMT）的比较探测器的UFA天文台和天体物理观测一般。
2019-12-27 astro-ph.IM
Low-Energy X-ray Performance of SOI Pixel Sensors for Astronomy, "XRPIX"
我们一直在开发一种新型的X射线像素传感器“XRPIX”，使我们能够为未来的日本X射线卫星“FORCE”在1-20 keV的宽能量带进行成像光谱学。XRPIX器件采用互补金属氧化物半导体绝缘体上硅技术制造，并具有“事件驱动读出模式”，在该模式下，通过使用来自每个像素配备的触发输出功能的命中信息，仅读取命中事件。本文报道了具有钉扎耗尽二极管（PDD）结构的“XRPIX 6 E”器件的低能X射线性能。PDD结构特别地降低了读出噪声，并且因此预期大大地提高低能量X射线的量子效率。虽然在“帧读出模式”下成功检测到0.68 keV的F-K X射线和1.5 keV的Al-K X射线，但在“帧读出模式”下，所有像素都被串行读出，而不使用触发输出功能，该设备能够检测Al-K X射线，但在事件驱动读出模式下不能检测F-K X射线。在事件驱动读出模式下，在Al-K X射线的计数图中观察到不均匀性，这是由于比较器电路输入处的基座电压的区域到区域变化。最低可用阈值能量为1.1 keV的一个小区域中的设备，其中的非均匀性最小化。电荷敏感放大器在检测节点的噪声和与触发输出功能相关的噪声分别为~ $18~e^-$（rms）和~ $13~e^-$（rms）。
2020-09-29 astro-ph.IM
High speed readout electronics development for frequency-multiplexed kinetic inductance detector design optimization
微波动态电感探测器（MKID）是星载毫米波天文学的一种很有前途的解决方案。为了优化它们的设计，使它们对衬底中宇宙射线相互作用产生的弹道声子不敏感，必须研究声子在硅中的传播。开发了一种专用的快速读出电子设备，使用信道化数字下变频，在100MHz带宽上监测多达12个MKID。得益于快速ADC采样和陡峭数字滤波，可在约2 Msps的速度下提供具有高动态范围的同相和正交采样。本文介绍了所选择的技术方案和取得的成果。
2013-11-12 astro-ph.IM
New readout and data-acquisition system in an electron-tracking Compton camera for MeV gamma-ray astronomy (SMILE-II)
对于MeV伽马射线天文学，我们已经开发了一种电子跟踪康普顿相机（ETCC）作为MeV伽马射线望远镜，能够拒绝辐射背景，并在空间中达到近1 mCrab的高灵敏度。我们的ETCC包括一个气体时间投影室（TPC）与微模式气体探测器跟踪反冲电子和位置敏感的闪烁相机用于检测散射伽马射线。在2006年成功地进行了第一次气球实验后，（使用10 $\times$ 10 $\times$ 15 cm $^3$ TPC），用于测量漫射宇宙和大气亚MeV伽马射线亚MeV γ射线成象--气球加载试验一SMILE-I），一个（30厘米）$^{3}$中型ETCC的发展，以测量MeV的伽马射线光谱从天体来源，如蟹状星云，一天气球飞行（SMILE-II）。为了实现这一目标，需要比SMILE-I大100倍的检测面积，而不改变检测器系统的重量或功耗。此外，在观察期间，事件发生率预计也会大幅增加。在这里，我们描述的概念和性能的新的数据采集系统与此（30厘米）$^{3}$ ETCC管理100倍以上的数据，同时满足严格的限制，重量和功耗所施加的气球观测。特别地，为了将TPC中的细轨迹检测效率从$\sim$ 10\%提高到$\sim$ 100\%，我们在TPC中引入了一种新的数据处理算法。因此，为了有效地管理如此大量的数据，我们开发了一个数据采集系统与并行数据流。
2015-08-30 astro-ph.CO astro-ph.HE astro-ph.IM
