暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星BGO量能器的地面測(cè)試與在軌數(shù)據(jù)初步分析.pdf

1、近年來(lái)，天文觀測(cè)表明可見物質(zhì)僅占宇宙總質(zhì)能的4.9％，而暗物質(zhì)則占據(jù)約25％。然而，目前人們了解暗物質(zhì)的方式除了觀測(cè)宏觀的天體運(yùn)動(dòng)之外，對(duì)其本質(zhì)幾乎一無(wú)所知。因此，暗物質(zhì)被稱為是“籠罩在21世紀(jì)物理學(xué)上的兩朵烏云”之一。對(duì)暗物質(zhì)突破性的研究將極大地促進(jìn)人們對(duì)基本自然規(guī)律以及宇宙演化的理解。國(guó)際上對(duì)暗物質(zhì)的研究非常重視，美國(guó)和歐洲都對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)周密的計(jì)劃，開展了一系列相關(guān)的項(xiàng)目，比如AMS02、Fermi LAT、Xenon實(shí)驗(yàn)等。中國(guó)

2、也將暗物質(zhì)的研究納入中長(zhǎng)期規(guī)劃。暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星(DAMPE)是中國(guó)空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)的首發(fā)星，也是中國(guó)第一顆以科學(xué)實(shí)驗(yàn)為目的的衛(wèi)星，已于2015年12月17日成功發(fā)射。
　　目前，弱相互作用大質(zhì)量粒子(WIMPs)是暗物質(zhì)最熱門的候選者之一，理論模型預(yù)言WIMPs粒子會(huì)衰變/湮沒成高能伽馬光子或正反粒子對(duì)（正負(fù)電子等）。DAMPE主要通過(guò)觀測(cè)高能電子(5 GeV-10 TeV)及伽馬射線能譜，間接尋找暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)。

3、>　　本論文將重點(diǎn)針對(duì)DAMPE的核心探測(cè)器之一——BGO量能器，通過(guò)量能器研制過(guò)程中的一些重要地面實(shí)驗(yàn)和在軌時(shí)的空間觀測(cè)這兩個(gè)方面，討論其探測(cè)器性能和研究方法。
　　本論文首先介紹了暗物質(zhì)的提出與探測(cè)方法等物理背景。在第二章中，從DAMPE探測(cè)器的物理目標(biāo)、性能指標(biāo)出發(fā)，進(jìn)而對(duì)DAMPE探測(cè)器系統(tǒng)及BGO量能器的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了描述。
　　DAMPE作為空間實(shí)驗(yàn)，探測(cè)器性能的可靠性至關(guān)重要，因此在地面實(shí)驗(yàn)中就必須充分研究探測(cè)

4、器的性能。在量能器飛行件研制之前，中科大的BGO量能器團(tuán)隊(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)和研制了探測(cè)器的電性件(1/4尺寸樣機(jī)，2012年)和鑒定件（全尺寸樣機(jī)，2014年），并在歐洲核子中心(CERN)進(jìn)行束流測(cè)試標(biāo)定，反復(fù)論證了探測(cè)器設(shè)計(jì)方案，為BGO量能器飛行件的研制打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　　BGO量能器飛行件經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)達(dá)近一年研制和地面測(cè)試。論文的第三章首先介紹了量能器飛行件宇宙線平臺(tái)的裝配測(cè)試，討論了探測(cè)器元件的基本刻度方法，其中包括:電子學(xué)基線、

5、絕對(duì)能量的標(biāo)度MIPs值和PMT多打拿級(jí)間的增益比等。其次，該章節(jié)也討論了在量能器完成研制之后，經(jīng)歷的一系列的環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)。探測(cè)器在這些高溫低溫、高真空、高震動(dòng)的極端環(huán)境，及頻繁轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的情況下基本刻度性能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，在地面驗(yàn)證了探測(cè)器在空間環(huán)境下的可靠性，為之后的空間探測(cè)器標(biāo)定和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)奠定基礎(chǔ)。
　　論文第四章通過(guò)DAMPE探測(cè)器經(jīng)歷的熱真空實(shí)驗(yàn)，著重研究了BGO量能器的溫度效應(yīng)。由于衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)的特殊性決定了DAMPE探測(cè)

6、器在軌會(huì)處于一個(gè)溫度變化較大的運(yùn)行環(huán)境(-15℃～+20℃)，而BGO是一種對(duì)溫度敏感的無(wú)機(jī)晶體，它的熒光產(chǎn)額與溫度有較強(qiáng)的相關(guān)性，同時(shí)探測(cè)器元件和電子學(xué)也具有一定的溫度特性。在設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度的高低溫極限的情況下，探測(cè)器輸出信號(hào)會(huì)存在約30％的差異，所以充分了解量能器的溫度效應(yīng)，并研究消除溫度效應(yīng)的方法是非常重要的。該章節(jié)系統(tǒng)性研究了BGO量能器基本刻度參數(shù)的溫度效應(yīng)，刻度了每個(gè)探測(cè)單元的溫度系數(shù)，其均值為-1.409％/℃。基于該溫度系

7、數(shù)，開發(fā)了修正溫度效應(yīng)的算法，結(jié)果顯示修正后熱真空實(shí)驗(yàn)中不同溫度下的MIPs MPV值的非均勻性從9％改善到2％，取得了良好的效果。
　　除了高能電子與伽馬射線外，空間環(huán)境中的核素（離子）也是DAMPE實(shí)驗(yàn)的重要物理目標(biāo)。第五章針對(duì)DAMPE探測(cè)器鑒定件在歐洲核子中心進(jìn)行的離子束流測(cè)試，討論了BGO晶體在高能離子下的猝滅效應(yīng)，以及BGO量能器對(duì)離子的能量響應(yīng)。在猝滅效應(yīng)研究中，本工作通過(guò)尋找BGO量能器中的離子MIPs事例，首次觀

8、測(cè)到了電荷數(shù)Z＞5，且每核子動(dòng)量為40 GeV/c的高能離子在BGO晶體中的猝滅效應(yīng)。在能量沉積響應(yīng)的研究中，本工作利用束流線上的△E探測(cè)器來(lái)鑒別離子種類，給出了核子數(shù)2～18的離子在量能器中的能量沉積占比，這將是空間核素能量重建的重要參考。
　　DAMPE衛(wèi)星發(fā)射之后，對(duì)探測(cè)器的在軌標(biāo)定和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析成為本文的工作重心。本文第六章圍繞BGO量能器的在軌觀測(cè)展開。首先介紹了衛(wèi)星所處的空間環(huán)境，包括太陽(yáng)光照角、地球輻射帶等對(duì)探測(cè)器的

9、影響。接著，介紹了目前量能器的在軌標(biāo)定情況，得益于地面實(shí)驗(yàn)對(duì)量能器的刻度做了充分的研究，結(jié)果顯示發(fā)射后六個(gè)月內(nèi)的刻度性能保持穩(wěn)定。最后，該章節(jié)討論了空間高能電子能譜的研究。由于在軌觀測(cè)時(shí)間尚短，數(shù)據(jù)需要積累統(tǒng)計(jì)量，在本論文中不涉及物理結(jié)果，側(cè)重于方法性的研究。論文中給出了具體的電子能譜研究流程，討論了包括有效接收度、事例選擇、電子/質(zhì)子鑒別、觸發(fā)效率、曝光時(shí)間等方面的研究方法。初步結(jié)果表明，在保證電子的有效接收度項(xiàng)Ageom∈sel約0