暗物质粒子探测卫星BGO量能器的地面测试与在轨数据初步分析

发布时间：2017-12-15 01:15

  本文关键词：暗物质粒子探测卫星BGO量能器的地面测试与在轨数据初步分析

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【摘要】：近年来,天文观测表明可见物质仅占宇宙总质能的4.9%,而暗物质则占据约25%。然而,目前人们了解暗物质的方式除了观测宏观的天体运动之外,对其本质几乎一无所知。因此,暗物质被称为是“笼罩在21世纪物理学上的两朵乌云”之一。对暗物质突破性的研究将极大地促进人们对基本自然规律以及宇宙演化的理解。国际上对暗物质的研究非常重视,美国和欧洲都对其进行了详细周密的计划,开展了一系列相关的项目,比如AMS02、Fermi LAT、Xenon实验等。中国也将暗物质的研究纳入中长期规划。暗物质粒子探测卫星(DAMPE)是中国空间科学先导专项的首发星,也是中国第一颗以科学实验为目的的卫星,已于2015年12月17日成功发射。目前,弱相互作用大质量粒子(WIMPs)是暗物质最热门的候选者之一,理论模型预言WIMPs粒子会衰变／湮没成高能伽马光子或正反粒子对(正负电子等)。DAMPE主要通过观测高能电子(5GeV-10TeV)及伽马射线能谱,间接寻找暗物质粒子存在的证据。本论文将重点针对DAMPE的核心探测器之一——BGO量能器,通过量能器研制过程中的一些重要地面实验和在轨时的空间观测这两个方面,讨论其探测器性能和研究方法。本论文首先介绍了暗物质的提出与探测方法等物理背景。在第二章中,从DAMPE探测器的物理目标、性能指标出发,进而对DAMPE探测器系统及BGO量能器的设计方案进行了描述。DAMPE作为空间实验,探测器性能的可靠性至关重要,因此在地面实验中就必须充分研究探测器的性能。在量能器飞行件研制之前,中科大的BGO量能器团队已经设计和研制了探测器的电性件(1/4尺寸样机,2012年)和鉴定件(全尺寸样机,2014年),并在欧洲核子中心(CERN)进行束流测试标定,反复论证了探测器设计方案,为BGO量能器飞行件的研制打下坚实的基础。BGO量能器飞行件经过了长达近一年研制和地面测试。论文的第三章首先介绍了量能器飞行件宇宙线平台的装配测试,讨论了探测器元件的基本刻度方法,其中包括：电子学基线、绝对能量的标度MIPs值和PMT多打拿级间的增益比等。其次,该章节也讨论了在量能器完成研制之后,经历的一系列的环境模拟实验。探测器在这些高温低温、高真空、高震动的极端环境,及频繁转换实验场地的情况下基本刻度性能保持长期稳定,在地面验证了探测器在空间环境下的可靠性,为之后的空间探测器标定和实验观测奠定基础。论文第四章通过DAMPE探测器经历的热真空实验,着重研究了BGO量能器的温度效应。由于卫星实验的特殊性决定了DAMPE探测器在轨会处于一个温度变化较大的运行环境(-15℃～+20℃),而BGO是一种对温度敏感的无机晶体,它的荧光产额与温度有较强的相关性,同时探测器元件和电子学也具有一定的温度特性。在设计运行温度的高低温极限的情况下,探测器输出信号会存在约30%的差异,所以充分了解量能器的温度效应,并研究消除温度效应的方法是非常重要的。该章节系统性研究了BGO量能器基本刻度参数的温度效应,刻度了每个探测单元的温度系数,其均值为-1.409%/℃。基于该温度系数,开发了修正温度效应的算法,结果显示修正后热真空实验中不同温度下的MIPsMPV值的非均匀性从9%改善到2%,取得了良好的效果。除了高能电子与伽马射线外,空间环境中的核素(离子)也是DAMPE实验的重要物理目标。第五章针对DAMPE探测器鉴定件在欧洲核子中心进行的离子束流测试,讨论了BGO晶体在高能离子下的猝灭效应,以及BGO量能器对离子的能量响应。在猝灭效应研究中,本工作通过寻找BGO量能器中的离子MIPs事例,首次观测到了电荷数Z5,且每核子动量为40 GeV/c的高能离子在BGO晶体中的猝灭效应。在能量沉积响应的研究中,本工作利用束流线上的ΔE探测器来鉴别离子种类,给出了核子数2～18的离子在量能器中的能量沉积占比,这将是空间核素能量重建的重要参考。DAMPE卫星发射之后,对探测器的在轨标定和实验数据分析成为我们的工作重心。本文第六章围绕BGO量能器的在轨观测展开。首先介绍了卫星所处的空间环境,包括太阳光照角、地球辐射带等对探测器的影响。接着,介绍了目前量能器的在轨标定情况,得益于地面实验对量能器的刻度做了充分的研究,结果显示发射后六个月内的刻度性能保持稳定。最后,该章节讨论了空间高能电子能谱的研究。由于在轨观测时间尚短,数据需要积累统计量,在本论文中不涉及物理结果,侧重于方法性的研究。论文中给出了具体的电子能谱研究流程,讨论了包括有效接收度、事例选择、电子/质子鉴别、触发效率、曝光时间等方面的研究方法。初步结果表明,在保证电子的有效接收度项Ageomεsel约0.3m2Sr的情况下,在100～150 GeV能区具有较好的本底抑制能力。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P145.9;V474.1

【参考文献】

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2 WANG PeiLong;ZHANG YunLong;XU ZiZong;WANG XiaoLian;;Study on the temperature dependence of BGO light yield[J];Science China(Physics,Mechanics & Astronomy);2014年10期

3 王培龙;张云龙;汪晓莲;许咨宗;;Magnetic shielding for DAMPE electromagnetic calorimeter PMTs[J];Chinese Physics C;2014年08期

4 黄琳;荆武兴;;关于剩磁对卫星姿态确定与控制影响的研究[J];航空学报;2006年03期

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本文编号：1290073