空間暗物質(zhì)探測(cè)電磁量能器的研究.pdf

1、天文觀(guān)測(cè)表明,宇宙的成份中絕大部分是暗物質(zhì)和暗能量,人們目前所了解的可見(jiàn)物質(zhì)只占很少一部分。雖然通過(guò)天文觀(guān)測(cè),暗物質(zhì)與暗能量已經(jīng)得到人們的廣泛認(rèn)可,但是暗物質(zhì)與暗能量的本質(zhì)卻不為人所知。人們比喻說(shuō):“暗物質(zhì)與暗能量是二十一世紀(jì)物理學(xué)與天文學(xué)晴朗天空下的兩朵烏云”。人們認(rèn)為揭開(kāi)暗物質(zhì)、暗能量之謎,將是人類(lèi)認(rèn)識(shí)宇宙的又一次重大飛躍。這是因?yàn)槔斫獍滴镔|(zhì)和暗能量問(wèn)題需要發(fā)展和建立新的理論并發(fā)明新的技術(shù),一旦取得突破,將帶來(lái)一場(chǎng)重大的物理學(xué)和天文

2、學(xué)革命。
　　 近年來(lái),暗物質(zhì)探測(cè)越來(lái)越熱。我國(guó)為了在國(guó)際上占有一席之地,積極推動(dòng)暗物質(zhì)探測(cè)計(jì)劃。有清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等在錦屏山建立地下實(shí)驗(yàn)室,試圖通過(guò)直接探測(cè)手段尋找暗物質(zhì)候選者——WIMP。另外利用我國(guó)成熟的衛(wèi)星平臺(tái)把探測(cè)器送到太空去尋找暗物質(zhì)存在的證據(jù)也在有條不紊的展開(kāi)。
　　 本論文的主要工作就是針對(duì)空間暗物質(zhì)探測(cè),對(duì)探測(cè)器的一些性能進(jìn)行研究。主要包含兩大部分:模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究。
　　 ●模擬部分:

3、
　　 1.借助于高能物理模擬軟件——GEANT4,構(gòu)建探測(cè)器模型,研究了探測(cè)器對(duì)電子、伽瑪和質(zhì)子的響應(yīng);為星載電磁量能器的設(shè)計(jì)提供物理依據(jù)。
　　 2.詳細(xì)討論了根據(jù)簇射輪廓對(duì)高能電子/質(zhì)子的區(qū)分問(wèn)題,提出量能器頂部的位置信息可以為電子/質(zhì)子的區(qū)分提供有利信息,得到27個(gè)輻射長(zhǎng)度可以實(shí)現(xiàn)的質(zhì)子的排斥能力可以達(dá)到105;并對(duì)電子/伽瑪?shù)蔫b別進(jìn)行了初步分析,得到電子/伽瑪?shù)膮^(qū)分能力可以達(dá)到1％;論證從強(qiáng)質(zhì)子背景中挑選出電子

4、/伽瑪?shù)年P(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可行性。
　　 3.為了更好地區(qū)分高能電子和質(zhì)子,擬在縱向適當(dāng)位置增加吸收體以增加探測(cè)器縱向輻射長(zhǎng)度,對(duì)“吸收體——鎢板”的位置放置進(jìn)行了模擬比較,尋找提高對(duì)質(zhì)子背景排斥能力的最佳方案。
　　 4.指出傳統(tǒng)的“幾何因子”概念在描述探測(cè)器時(shí)存在的缺陷,提出“物理接收度”概念代替“幾何因子”,并利用MC模擬計(jì)算探測(cè)器的物理接收度,10GeV——10TeV電子對(duì)應(yīng)的物理接收度為0.69 m2*Sr——0.

5、47 m2*Sr;為正確的物理數(shù)據(jù)獲得提供正確的關(guān)鍵系數(shù)。
　　 5.最后對(duì)探測(cè)器的觸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行了初步討論。
　　 ●實(shí)驗(yàn)部分:
　　 1.設(shè)計(jì)并搭建了閃爍體光產(chǎn)額和熒光傳輸均勻性測(cè)試平臺(tái),用來(lái)測(cè)試量能器各子單元BGO晶體的性質(zhì),為單元BGO晶體的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲得提供測(cè)試平臺(tái);利用中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所質(zhì)子束流對(duì)BGO晶體的熒光猝滅效應(yīng)進(jìn)行了初步研究,指出BGO晶體對(duì)高LET帶電粒子的熒光飽和效應(yīng)不能用Birk

6、Law很好的描述(第三章)。
　　 2.通過(guò)電子學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,采用一個(gè)光電倍增管的三個(gè)打拿極讀出,滿(mǎn)足量能器大動(dòng)態(tài)范圍(～1×105)測(cè)量的要求。解決了三個(gè)打拿極之間放大倍數(shù)線(xiàn)性、串?dāng)_等技術(shù)問(wèn)題。搭建LED光源刻度系統(tǒng)對(duì)光電倍增管Base進(jìn)行刻度。實(shí)驗(yàn)測(cè)量BGO晶體和光電倍增管子單元對(duì)宇宙線(xiàn)帶電粒子的響應(yīng),并對(duì)熒光衰減問(wèn)題進(jìn)行了研究,從而確定該讀出系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)范圍0.5MIPs-1.5×105MIPs,解決了電磁量能

7、器大動(dòng)態(tài)范圍讀出的關(guān)鍵技術(shù)(第四章)。
　　 3.搭建了一個(gè)由24根晶體組成的小型BGO陣列宇宙線(xiàn)測(cè)試平臺(tái),利用延遲線(xiàn)讀出多絲室重建宇宙線(xiàn)的徑跡,修正由于斜入射導(dǎo)致的宇宙線(xiàn)在BGO晶體里面的能量沉積的偏差;長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試,跟蹤各子單元信號(hào)和噪聲的穩(wěn)定性;利用宇宙線(xiàn)的測(cè)試結(jié)果刻度FEE的hold time等參數(shù)的設(shè)置;為星載晶體量能器各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取,為進(jìn)一步衛(wèi)星立項(xiàng),奠定了基礎(chǔ)(第五章)。
　　 4.數(shù)據(jù)庫(kù)的建立為探測(cè)