半导体径迹探测体系与关键技术研发

• Qi YAN (IHEP)

我国在先进大型精密硅基磁谱仪系统自主研制方面缺乏系统性经验和关键技术综合能力。硅径迹探测器作为精密粒子磁谱仪的核心，其研制涵盖探测器设计、高性能传感器、先进电子学、轻质高强度支撑结构、高效冷却系统及数据采集系统。项目团队以大工程建制为组织体系，围绕硅径迹探测器关键技术，以下一代磁谱仪实验为主线，系统推进高精度半导体径迹探测器及相关关键技术研发。通过结构设计、物理机理研究、工艺优化及性能表征，研制国际首款兼具优于40 ps时间分辨和优于10 μm位置分辨的大尺寸硅基传感器，以及多材料、多种类体系的半导体传感器；同步研发首款配套高精度、低功耗、高集成度的专用读出芯片，以及国内首款面向高能物理应用的抗辐照RISC-V片上系统芯片，实现前端动态配置、片上智能算法和数据处理。结合高速数据采集系统、低物质量高强度碳纤维支撑结构及国内首台专用两相CO2低温冷却系统研发，构建传感器—电子学—读出—机械—冷却—系统的全链条协同研发体系，研制下一代半导体径迹探测器工程样机，构建我国完整半导体径迹探测技术链，提升高性能粒子探测自主创新能力，为下一代地面对撞机、空间磁谱仪及高精度辐射探测器提供核心技术支撑。 ACCEPTED ORAL REHEARSAL

下一代高时间与高位置分辨AC-LGAD传感器及专用读出芯片LATRIC研发与测试

• JiaJian TEOH 张嘉健 (IHEP)

交流耦合低增益雪崩二极管（AC-LGAD）作为兼具高时间分辨和高空间分辨能力的4D硅探测器技术，在未来高能物理对撞机实验（如CEPC、FCC等）中具有重要应用前景。本报告将介绍我们在AC-LGAD传感器研发、专用读出ASIC（LATRIC）开发以及配套测试体系方面的最新进展。在条型AC-LGAD传感器研发方面，设计目标为实现约40 ps时间分辨能力与约10 μm空间分辨精度。团队系统研究了关键器件结构参数对时间响应与空间分辨性能的影响，相关测试结果为后续器件优化与结构设计提供了重要依据。针对AC-LGAD的高精度读出需求，团队自主研发了低功耗专用读出ASIC——LATRIC。首款单通道原型芯片LATRIC0已完成功能测试，验证了前端放大、时钟分配、配置电路及数据读出等关键性能，8通道原型芯片LATRIC1已经流片并开展了初步测试，为最终芯片的研制奠定了坚实基础。此外，基于LATRIC0与条型AC-LGAD构建的模块联合测试已获得初步结果，验证了传感器与读出ASIC协同工作的综合性能。为全面评估器件性能，团队已建立多层次的测试平台，包括激光TCT扫描系统、90Sr β源测试平台，并同步推进了束流测试准备工作。后续工作将重点开展大尺寸AC-LGAD结构优化、多通道LATRIC ASIC研发和性能测试、系统级集成测试，并进一步研究器件的抗辐照性能。 ACCEPTED ORAL REHEARSAL

面向极端辐射环境的4H-SiC传感器的研究进展

• Xiyuan 希 媛 Zhang 张

面向HL-LHC、CEPC等高能物理装置及核聚变实验对探测器抗辐照能力与高时间分辨的严苛需求，碳化硅（SiC）凭借宽禁带、高位移阈能、高饱和电子漂移速度等本征优势，成为替代传统硅基探测器的理想材料。本研究围绕4H-SiC PIN探测器与低增益雪崩二极管（4H-SiC LGAD）开展系统研究，重点聚焦器件性能优化、抗辐照能力评估及工程应用验证。 研究表明，4H-SiC PIN器件对X射线辐照表现出优异耐受能力，在2 MGy剂量下，其I-V、C-V特性及电荷收集效率（CCE）保持稳定；然而，质子辐照会导致器件性能显著退化，在7×10¹³ p/cm²注量下，α粒子CCE降至辐照前的约30%。此外，该器件在23–90 °C温区内漏电流低于10 nA，CCE波动小于10%，信号上升时间保持在亚纳秒量级，展现出优异的高温稳定性与快时间响应能力。为进一步提升抗辐照性能，本研究成功设计并制备了国际首款全外延结构4H-SiC LGAD器件（SiCAR3）。在2.5×10¹³ p/cm²质子注量下，CCE仍保留辐照前的约57%，显著优于传统PIN结构。最新一批4H-SiC LGAD器件实现了重大突破，雪崩增益达到10倍以上，时间分辨率提升至60 ps，相较早期器件（增益2~3倍）取得了显著性能提升。 基于上述性能优势，该4H-SiC探测器已成功应用于玄龙-50U聚变探测、CEPC亮度监测样机及CSNS束流监测等国家重大科技项目，推动了我国在宽禁带半导体辐射探测器领域的自主创新与工程应用的发展。 ACCEPTED ORAL REHEARSAL

LGAD 探测器在 ATLAS HGTD 及束流亮度监测方面的应用与研究进展

• Mei Zhao (高能所, IHEP)

大型强子对撞机（LHC）升级为高亮度大型强子对撞机（HL-LHC）后，粒子对撞频次大幅提升，平均堆积事例数可达 200，探测器将面临严重的事例堆积与强辐射环境，对探测器的抗辐照能力、径迹探测水平以及束流亮度测量精度提出了严苛挑战。 高时间分辨的 HGTD 探测器具备优于 50 ps 的时间分辨能力，可有效缓解 ATLAS 探测器的事例堆积问题。LGAD 硅传感器是 HGTD 时间探测器的核心元件，该器件采用 15×15 像素阵列布局，单像素尺寸为1.3 mm×1.3 mm，其时间分辨、抗辐照等核心性能直接决定 HGTD 整机探测指标。目前已完成近万颗LGAD器件的生产。本报告将系统介绍应用于ATALS HGTD项目的LGAD 传感器量产现状与辐照性能：涵盖阵列器件的 I-V 特性测试、成品率等，质量监控结构的增益层耗尽电压、电容等关键参数标定，以及器件抗辐射能力的评估结果。 针对 HL-LHC 极端工作环境，ATLAS 研制了全新束流监测器（BMA）用于束流亮度测量。本报告将进一步介绍应用于 ATLAS BMA 的 LGAD 探测器实验室测试结果，并展示并讨论2025和2026 年该探测器在欧洲核子中心（CERN）实际束流开展实验的装置情况与亮度实测结果。

面向高能物理领域的RISC-V片上系统芯片(HERIS)研发 高能物理（HEP）实验日益依赖复杂的专用集成电路（ASIC），这推动了对灵活可编程架构的持续需求。本文提出并设计了一款基于RISC-V架构的系统级芯片（SoC），作为ASIC的通用控制与配置中心。该SoC集成了具备3级流水线的轻量级32位tiny_riscv处理器，支持通过固件执行C语言程序，以高效管理寄存器并实现I²C、SPI等多种通信协议。该SoC作为核心控制单元，计划首次应用于面向低增益雪崩光电二极管（LGAD）读出的专用ASIC——LATRIC中，并采用55纳米CMOS工艺成功完成了流片。流片后测试结果表明，该芯片的功能与性能指标均符合设计预期。目前，团队正围绕该SoC进一步开展抗辐照加固技术研究，以及针对高能物理特定场景的硬件加速算法开发。本报告将详细介绍该SoC的架构设计、在LATRIC芯片中的应用实现、流片测试结果，并展望其在未来HEP实验中的广阔应用前景。