在粒子物理实验中，量能器是一类用来测量入射粒子能量、位置等信息的探测器。高能粒子在被“吸收”时，由于级联相互作用，会产生“簇射”，因此量能器有时也被称为簇射计数器（如图 1所示）。大部分入射粒子的能量，在粒子簇射后最终都会转化为“热量”，Calorimeter中的Calor是拉丁语中的热量的意思；当然，在大型粒子物理实验中不会测量温度，而是利用入射粒子与物质相互作用（例如原子激发、电离）产生可被探测的信息（电子-离子对，电子-空穴对，闪烁光等）进行测量。量能法也是测量高能对撞实验中中性粒子的唯一可行方法。
图 1 高能电磁簇射
量能器通常由不同的部分组成，针对不同入射粒子的性能需求而定制。每个量能器由多个独立的探测单元组成，这些单元通常沿着粒子入射方向排列而成。对探测单元获取的数据进行分析，可以得到入射粒子的横向和纵向的簇射分布信息。探测单元的排列方式也是以此为依据进行性能优化的，因而在实验谱仪不同的角度区域，量能器各单元的朝向也相应变化。
一般来说，入射的电磁型粒子（电子、伽马光子等）在电磁量能器中被完全吸收。利用电磁簇射纵向深度相对较短且横向分布较为集中的特点（如图 2（左）），构造电磁量能器的几何以最理想的精度来获取位置和能量信息。电磁簇射的纵向深度一般用辐射长度（X0）描述，横向展开用莫里哀半径（RM）来表征。
对于强子，其可能才在电磁量能器中刚刚开始簇射，绝大部分能量再强子量能器中被完全吸收。强子簇射的形状相比于电磁簇射波动较宽（如图 2（右）），强子簇射的纵向深度与量能器探测介质的辐射长度关联性不强，而是取决于探测介质核作用长度（λ）。
图 2 高能粒子簇射。电磁簇射（左），强子簇射（右）
在量能器中区分电磁簇射和强子簇射，作用顶点的位置是一个重要的信息。通常，在不引发过多强子簇射的前提下，把电磁簇射的深度和宽度限制在一个相对较小的范围内很重要。对簇射介质的选择一般用λ/X0作为判断依据，近似与探测介质的Z1.3成正比。因此选择铅、钨或铀等高Z值材料作为电磁量能器的吸收材料。
量能器还可以为未被吸收的粒子（多是μ子）提供信息。μ子不会在物质中簇射，但它们的电荷会留下电离信号。这些信号可以在量能器中被鉴别，然后可以将量能器内所探测到的径迹，与其他探测器内获得的径迹联系起来。
高能粒子簇射的发展是一个统计过程。根据经验公式，量能器中能量测量的相对精度会随着能量的增加而提高
其中E是入射粒子的能量，σΕ是能量测量的标准偏差，a和b是取决于探测器类型的常数，例如灵敏层和吸收层的厚度、特性。全局常数b包含不同探测单元的系统误差。
量能器是高能物理实验中最常用的探测器之一。其主要需求通常根据能量分辨、空间分辨和时间分辨，触发能力，所用材料的辐射强度以及电子学参数包括动态范围、信号提取（对高频对撞机）来制定。在对量能器的预研过程中，应先确立关注的物理目标，进而考虑能区范围、加速器特性等参数设置，明确所考虑参数的优先级。量能器可解决的问题范围已经远远超过单一功能的探测装置，并且在过去对量能器的研究中，愈多世界科研团队提出新颖可行的量能器方案。正因如此，量能器作为粒子探测谱仪的关键一环。
✮量能器的分类
从构造的角度来看，量能器种类可以分为：
●全吸收型量能器。是指量能器由一块均匀介质组成,它既是簇射介质,又是对簇射次级粒子灵敏的探测器介质。例如晶体（晶体量能器）、复合材料（如铅玻璃）或者对于低能区，常常使用液态惰性气体。一般对于有着高能量测量需求的电磁量能器采用此方案。
●取样型量能器。粒子吸收材料和用于信号读出的材料是分开的。该类型的量能器基本上采用“三明治”的设计结构：高Z的吸收体材料（如铅、铁、铀）与灵敏探测器（如液体或固体闪烁体，或正比计数器）交替排列。仅有被灵敏层吸收的小部分簇射能量被测量。一般强子量能器需要相当大的体积来产生和吸收簇射，因此，强子量能器多是采用该方案。
✮新型成像型量能器研究
近年来，随着实验需求的增加，新型成像型量能器越来越扮演着重要角色。比如我国暗物质粒子探测卫星（“悟空”号，DAMPE），其探测谱仪的BGO量能器既是全吸收类型，又具有着取样功能——三维取样，如图 3所示。同样，在加速器物理实验上，成像型量能器对“喷注”的测量起着重要作用，下一代环形正负电子对撞实验（CEPC）上，其基准探测方案是基于粒子流方法设计的，成像型量能器是其中一个关键探测部分。其中电磁量能器的颗粒度要求小于10mm×10mm。目前基于塑料闪烁体耦合硅光电倍增器（SiPM）开展了电磁量能器技术样机的研制，如图 4所示。
图 3 悟空”号探测谱仪
图 4 CEPC成像型电磁量能器示意图
利用新的探测技术配合读出电子学，将量能器的整体分割成细颗粒度单元，使之具有较高的横向和纵向颗粒度，跟踪簇射产生的次级粒子，提供高能粒子簇射过程的详细位置信息。即使单个探测单元能量分辨率不足，也可借助其统计量优势而得到弥补，最终实现比传统量能器更高的能量分辨指标。国际上，有模拟式、数字式的不同路线，每种路线又有不同的探测器实现手段，如示意。
图 5 成像型电磁量能器主要研究方向
在国家自然科学基金重点项目（No. 11635007）的支持下，中国科学技术大学团队开展了模拟式的“吸收材料+条状闪烁材料+光读出”、模拟式的“吸收材料+半导体探测器”、数字式的“吸收材料+ MAPS新型探测器”三种方向的研究。经过详细的蒙特卡洛仿真和参数选择，对SIPIN、闪烁体和SiPM、MAPS等器件分别进行了单元性能测试；对应各探测器方案设计和改进了相应的前端读出电子学。
在此基础上搭建了4层灵敏层的硅-钨桌面验证小系统（图 6），宇宙线测试可成功还原出宇宙线径迹，如图 7所示。
图 6 四层硅-钨电磁量能器桌面验证小系统
图 7 多重击中拟合出的宇宙线径迹
发展了适用于不同技术路线及规模的通用、可扩展读出电子学架构（图 8）
图 8 8096通道细颗粒度探测器通用读出电子学系统（利用MicroMegas宇宙线径迹测试中）
在上述基础上，结合CEPC的需求，重点基金项目组选定闪烁体-钨的技术路线进行了30层5 mm×5 mm位置分辨的成像型电磁量能器原理样机研制（图 9），并进行了长时间的宇宙线测试。
图 9 基于闪烁体-钨方案的30层束流测试原理样机
在北京正负电子对撞机上的E3束线进行了束流实验，证实可在束流环境下正常工作。束流测试现场如图 11所示，图 11为束流测试中高能粒子穿过量能器留下的清晰径迹，证明束流测试过程中，基于重点项目所确定的，以钨作为吸收材料、以闪烁体+SiPM作为采样材料的模拟技术路线，以及研制的束流测试原理样机可以正常工作。
图 10 原理测试样机束流测试现场
图 11 原理测试样机束流测试获得的高能粒子径迹
通过研究，项目组还以MAPS器件为基础，实现了软X光成像，可进行约6 MHz/cm2击中事例率的读出，并对几种不同样本获得了清晰的X光成像（图 12）；在北京中科院高能物理研究所使用激光测试平台进行了外触发与位置分辨率的测试，得到的系统位置分辨率为4 μm左右（图 13）。
图 12 在国家同步辐射实验室进行的X光成像实验及效果之一
图 13 在高能物理研究所进行的激光实验和Y方向系统位置分辨
项目组还以掌握的MAPS读出技术为基础，应用到束流望远镜的设计中，在德国DESY进行了3次束流调试，现已作为基础设施安装在德国DESY 的22号实验束线上投入使用（图 14），以供来自世界各地的束流实验用户使用。对6 GeV实验束，该束流望远镜的径迹分辨达到3.3 μm，与DESY现有的EU-DET束流望远镜指标相当，满足束流测试仪器高分辨径迹测量的性能要求；最大流强条件下测得系统触发率大于23 kHz（系统设计的触发率可达100 kHz以上），远高于DESY现有EU-DET束流望远镜4 kHz的技术指标，能够极大提高实验效率并降低粒子束流的时间成本；噪声水平约8×10-12/Event/Pixel，比EU-DET束流望远镜降低百万倍以上，有效提高了数据质量，并极大减轻了物理数据处理过程中径迹重建的压力。已为ATALS ITK strip phase 2升级、CALICE AHCAL、STCF等多个实验项目的束流测试提供服务。
图 14 安装在DESY的第一版硅像素束流望远镜系统
塑闪和SiPM探测器的读出方法还拓展应用至CEPC合作组模拟式强子量能器的预研工作中（图 15）。
图 15CEPC合作组AHCAL单层读出电子学
以及基于塑闪-SiPM、大面积Micromegas探测器的缪子成像装置研制中（图 16）。
图 16 基于塑闪-SiPM的缪子成像装置（包括电子学）
相关文章：
【1】Ma S, Liu S, Liu H, et al. A SKIROC2-based prototype electronics system for silicon PIN array[J]. Radiation Detection Technology and Methods, 2018, 2(2): 1-7.
Yan
【2】g C, Feng C, Liu J, et al. A Prototype Readout System for the ALPIDE Pixel Sensor[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2019;
【3】Zhao S, Liu S, Shen Z, et al. The Readout Electronics Research Design and Development for CEPC Scintillators Electromagnetic Calorimeter Prototype[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2019;
【4】Wang Y, Liu S, Feng C, et al. Readout Electronics for CEPC Semi-Digital Hadron Calorimeter Pre-prototype[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2019;
【5】Pan J, Feng C, Zhang Z, et al. Position Encoding Readout Electronics of Large Area Micromegas Detectors aiming for Cosmic Ray Muon Imaging[C]//2019 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC). IEEE, 1-5.
【6】Niu Y, Zhao S, Zhang Y, et al. Design of Sc-ECAL prototype for CEPC and performance of first two layers[J]. Journal of Instrumentation, 2020, 15(05): C05036.
【7】赵申森, 沈仲弢, 周安顺, 等. 基于 LED 纳秒级脉冲的 SiPM 阵列监测电路[J]. 原子能科学技术, 2020, 54(6): 1047.
【8】元光远, 沈仲弢, 王宇, 等. 基于 FELIX 的微结构气体探测器读出电子学系统设计[J]. 原子能科学技术, 2020, 54(6): 1034.
【9】Zhou A, Shen Z, Zhao S, et al. Study on the FPGA-based Temperature Compensation for the SiPM of CEPC ECAL Prototype[J]. Journal of Instrumentation, 2020, 15(10): C10008.
【10】Liu H, Shen Z, Niu Y, et al. Development of a SPIROC2E-based scintillator test platform for CEPC AHCAL prototype[J]. Journal of Instrumentation, 2020, 15(10): C10006.
【11】Jiang, J.; Shi, Y.; Niu, Y.; Zhao, S.; Zhang, Y.; Liu, J.; Hu, T.; Liu, Y.; Yu, B. ，A study of sensitive elements of CEPC-AHCAL, Journal of Instrumentation, 2020, 15(5): 0-C05041.
【12】Jiechen Jiang; Shensen Zhao; Yazhou Niu; Yukun Shi; Yong Liu; Dejun Han; Tao Hu; Boxiang Yu, Study of SiPM for CEPC-AHCAL, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2020, 980: 0-164481.
【13】Niu Y, Shi Y, Zhao H, et al. SiPM dynamic range for CEPC scintillator-based electromagnetic calorimeter[J]. Journal of Instrumentation, 2021, 16(12): T12008.
【14】马思源，CEPC 硅-钨成像型电磁量能器原理样机方案研究，中国科学技术大学博士论文，2018.06；
【15】杨晨飞，基于有源硅像素探测器的高能粒子束流望远镜研究，中国科学技术大学博士论文，2019.06；
【16】元光远，基于FELIX的微结构气体探测器通用读出系统研究，中国科学技术大学博士论文，2019.11；
【17】赵申森，CEPC闪烁体成像型电磁量能器原型机读出电子学研究，中国科学技术大学博士论文，2020.06；
【18】牛亚洲，CEPC闪烁体成像型电磁量能器的研究，中国科学技术大学博士论文，2021.10。
