英国STFC发布《探测器和仪器:战略评估》报告

  

  探测器和仪器是英国研究与创新机构(UKRI)众多研究计划的基础,对于英国科学与技术设施理事会(STFC)的粒子物理学、核物理学和天文学等方面的科学研究至关重要,同时也是重大科技基础设施的基础。为制定探测器发展战略计划[1],支持该领域的优先事项和投资重点,STFC对探测器和仪器开展了现状和未来需求分析,并于近日发布了《探测器和仪器:战略评估》报告[2]

  一、探测器和仪器开发的最高优先事项

  报告认为,STFC的探测器和仪器投资优先事项应由自上而下的科技挑战需求驱动(表1),而不应由特定探测器和仪器开发的自下而上的机会来设定。报告从人员和资助、系统工程、数据链、专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)、互连技术、制造与测试、非硅材料、硅光电倍增管、互补金属氧化物半导体(CMOS)技术、超快探测器、量子探测器、超导探测器、时间投影室、引力波探测器等13个主题领域,提出探测器和仪器开发的若干建议。从是否对实现高优先级领域的重大科学成果至关重要,是否将为广泛的应用提供重要的新能力并使英国成为世界领先两个角度,确定了5项最高优先事项,分别是:建立灵活的探测器开发资助机制;开发用于高能和粒子物理、医学成像的抗辐射半导体器件;支持开发替代非硅材料和器件,特别是中子探测器;评估如何将量子探测器技术应用于地基的基础物理实验;评估为空间和地面实验建立量子系统探测器中心的益处。

  探测器在STFC各科学领域中的应用和需求

 

  探测器技术和性能需求

  科技应用领域

  粒子物理

  粒子天

  体物理

  核物理

  中子/缪子

  激光器

  光源

  天文学

  空间科学

  传感器和探测器类型/功能/材料

  需求

  太赫兹探测器

   

   

   

   

  

  

  

  

  大面积光子探测器

  

  

   

   

   

  

   

  

  能量分辨相机

   

   

   

  

  

  

   

  

  高速

  

   

  

  

  

   

  

  

  高空间分辨

  

  

   

   

  

  

   

  

  低放射性

   

  

   

   

   

   

   

   

  超低质量和低功率

  

   

   

   

   

   

   

   

  成像

   

   

   

  

  

   

   

   

  技术

  CCD

   

   

   

   

  

  

  

  

  闪烁探测器和多光谱闪烁体

  

   

  

  

  

  

   

  

  微带气室

  

   

   

  

   

   

   

   

  时间投影室

  

  

   

   

   

   

   

   

  低温探测器

   

  

   

   

   

   

   

   

  光电倍增管,硅光电倍增管,微通道板

  

  

  

  

  

   

  

  

  CMOS传感器

  

   

  

  

   

  

  

   

  Si/SiLi

  

   

  

   

   

   

   

   

  快速定时

  

   

  

   

   

  

   

   

  多元素,Ge和高Z

  

  

  

   

  

  

  

   

  碳化硅

  

   

   

   

   

   

   

  

  金刚石材料

  

   

   

  

  

   

   

   

  新兴技术

  量子系统

  

  

   

   

  

  

   

  

  超导探测器

   

  

   

   

   

   

  

  

  替代材料和制造技术

   

  

  

  

  

   

   

  

  数据获取和处理,电子学和互连

  需求

  抗辐射设计

  

   

   

  

  

  

   

  

  波前传感

   

   

   

   

  

   

  

  

  模态降噪

   

   

   

   

   

   

  

   

  先进互连和紧凑封装

  

   

  

   

   

  

  

  

  技术

  100吉比特以太网链路

  

   

  

   

   

   

  

   

  兆像素图像的kHz处理

   

   

   

   

  

  

   

   

  高速串行链路建模和仿真

  

   

  

   

   

  

   

   

  读数用于X射线衍射区域和荧光检测器

   

   

   

   

   

  

   

   

  数据压缩和稀疏化

  

   

   

  

   

   

   

  

  ASIC

  

  

  

  

   

   

  

  

  信号处理

   

   

  

   

   

  

   

   

  高性能ADC

   

   

  

   

  

  

  

  

  时间戳,数据同步,薄型单片有源像素传感器

  

   

  

  

   

  

   

   

  1、建立灵活的探测器开发资助机制。许多探测器开发活动都是在大型实验研究和设施开发计划中进行的,但这些科学计划的资助机制有时会限制替代技术和新技术的快速研究机遇,而这些技术有助于解决探测器问题。除了可以降低科学计划的风险之外,新的额外资助还有助于促进无法获得主要计划资助的先进技能的开发。因此,报告建议STFC建立一个现有机制之外的灵活的探测器开发资助机制,以便能够对可替代技术进行快速研究、对潜在的解决方案进行试验。

  2、开发用于高能和粒子物理、医学成像的抗辐射半导体器件。锗探测器可用于离散读出电子设备的小型化、探测器数字处理链路的ASIC开发和安装,以及数字信号处理等。需要通过增强的制造、修复、表征和模拟技术等来实现,这些对于核物理、同步加速器科学、无中微子双β衰变和成像来说非常重要。

  3、支持开发替代非硅材料和器件,特别是中子探测器,以降低风险。中子探测器对氦-3气体(3He)的有限接入是中子科学家面临的重要问题,有些仪器每台需要数千升3He,如飞行时间光谱仪。新型中子探测器如硼-10薄膜气体探测器,已被选定用于未来欧洲散裂中子源(ESS)中的若干仪器,也将用于现有中子源仪器的升级。还要继续支持小型3He中子探测器的开发,因为目前没有替代技术。

  4、评估如何将量子探测器技术应用到地基的基础物理实验中。虽然量子技术被证明在概念上有效,但将其缩放到物理探索所需的尺寸是一项挑战。例如,对于原子干涉仪传感器,主要挑战是证明该技术在100米范围内可以有效工作,并且最终在公里范围内甚至更远的网络探测器中有效。这就需要将原子干涉仪传感器从1米放大到10米、100米,最终到千米级。

  5、评估为空间和地面实验建立“量子系统探测器中心”的益处。空间有效载荷和地面实验所需的工程专业知识和能力可能发生重叠,应考虑建立单个量子系统探测器中心的益处,提高量子探测器技术的成熟度。

  二、探测器和仪器开发的27项建议

  除上述5项最高优先事项外,报告还给出以下27项评估建议。这些建议有可能支持重大科学成果的产出,并将在有限应用领域显著提高能力,或为广泛的应用领域提供新能力

  1、人员和资助。建立专门针对探测器的工程和仪器研究活动的奖学金计划,可能包括技术人员;建立一个或多个探测器研究和开发的博士培训中心;开展针对学徒培训的探测器活动;建立增强认知的探测器研发网络;研究建立与探测器研发网络紧密联系的探测器中心的可能性,与工业界建立紧密联系。

  2、系统工程。大型探测器和仪器开发项目应有资金来招聘系统工程师,为项目提供建议和帮助;制定标准明确何时必须应用正式的系统工程方法,何时可以遵循应用了系统工程概念的非正式良好实践。

  3ASICs开发ASICFPGA设计、方法和专门知识的中央数据库,并为新的设计机会提供研究资金,建立更强大的数字电子能力。

  4、互连技术。向国家实验室和大学团体的互连活动提供资金;为互联技术发展建立良好的工业伙伴关系。

  5、制造与测试。建立探测器制造和测试设施目录,加强对探测器开发相关的现有设施的了解。

  6、非硅材料。鼓励早期阶段的材料研发并配备资源,特别是与工业界的合作,以确保以合理成本获得最优质的材料;开发速度更快、具有更高的光输出和改进的γ中子分离的闪烁材料,用于凝聚态物质科学和安全领域;鼓励探测器开发单元与材料科学研发单元之间加强合作,并对材料供应风险进行审核。

  7、硅光电倍增管。支持克服硅光电倍增管性能限制的研发活动,包括暗计数率、真空紫外(175纳米)中氙闪烁的灵敏度,以及增加探测器面积;监控硅光电倍增管的供应情况,并确保制造商了解不断发展的科学需求。

  8CMOS技术。支持发展CMOS背面减薄能力,以探测可见区域外的辐射,这要求英国设施具备处理至少8英寸CMOS晶圆的能力;支持开发用于高能物理应用的耗尽型单片式有源像素传感器(DMAPS),并加强X射线探测器的功能;支持根据不同应用需求定制CMOS探测器。

  9、超快探测器。支持提高快速探测器辐射硬度的工作,可用于未来的粒子探测器;支持快速放大器和时间数字转换器的开发。

  10、量子探测器。与“国家量子技术计划”建立紧密联系;继续发展专注于量子系统的空间工程能力。

  11、超导探测器。支持超导研究团队为国际合作仪器做出贡献,以在合作中发挥主导作用;考虑在未来设施中使用超导探测器技术的潜在机遇。

  12、时间投影室。维护和发展伯毕(Boulby)地下实验室的一流放射检测能力;开发氡检测和控制、清洁度检测和控制的新能力。

  13、引力波探测器。现有技术已满足当前引力波研究仪器对传感器元件的需求,下一代引力波探测系统对探测器的需求可能会发生变化,未来的战略评估应关注该问题,包括先进的光学和工程系统等。

  (王海霞)

 

  


 

[1] 计划于2019年夏季末发布

[2] Detectors and instrumentation: a strategic review. https://stfc.ukri.org/files/corporate-publications/detectors-and-instrumentation-a-strategic-review/

原文始发于:英国STFC发布《探测器和仪器:战略评估》报告

 

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