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

1、近年來，天文觀測表明可見物質(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)的方式除了觀測宏觀的天體運動之外，對其本質(zhì)幾乎一無所知。因此，暗物質(zhì)被稱為是“籠罩在21世紀物理學上的兩朵烏云”之一。對暗物質(zhì)突破性的研究將極大地促進人們對基本自然規(guī)律以及宇宙演化的理解。國際上對暗物質(zhì)的研究非常重視，美國和歐洲都對其進行了詳細周密的計劃，開展了一系列相關(guān)的項目，比如AMS02、Fermi LAT、Xenon實驗等。中國

2、也將暗物質(zhì)的研究納入中長期規(guī)劃。暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星(DAMPE)是中國空間科學先導專項的首發(fā)星，也是中國第一顆以科學實驗為目的的衛(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，理論模型預言WIMPs粒子會衰變/湮沒成高能伽馬光子或正反粒子對（正負電子等）。DAMPE主要通過觀測高能電子(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、>　　本論文將重點針對DAMPE的核心探測器之一——BGO量能器，通過量能器研制過程中的一些重要地面實驗和在軌時的空間觀測這兩個方面，討論其探測器性能和研究方法。
　　本論文首先介紹了暗物質(zhì)的提出與探測方法等物理背景。在第二章中，從DAMPE探測器的物理目標、性能指標出發(fā)，進而對DAMPE探測器系統(tǒng)及BGO量能器的設(shè)計方案進行了描述。
　　DAMPE作為空間實驗，探測器性能的可靠性至關(guān)重要，因此在地面實驗中就必須充分研究探測

4、器的性能。在量能器飛行件研制之前，中科大的BGO量能器團隊已經(jīng)設(shè)計和研制了探測器的電性件(1/4尺寸樣機，2012年)和鑒定件（全尺寸樣機，2014年），并在歐洲核子中心(CERN)進行束流測試標定，反復論證了探測器設(shè)計方案，為BGO量能器飛行件的研制打下堅實的基礎(chǔ)。
　　BGO量能器飛行件經(jīng)過了長達近一年研制和地面測試。論文的第三章首先介紹了量能器飛行件宇宙線平臺的裝配測試，討論了探測器元件的基本刻度方法，其中包括:電子學基線、

5、絕對能量的標度MIPs值和PMT多打拿級間的增益比等。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)境模擬實驗。探測器在這些高溫低溫、高真空、高震動的極端環(huán)境，及頻繁轉(zhuǎn)換實驗場地的情況下基本刻度性能保持長期穩(wěn)定，在地面驗證了探測器在空間環(huán)境下的可靠性，為之后的空間探測器標定和實驗觀測奠定基礎(chǔ)。
　　論文第四章通過DAMPE探測器經(jīng)歷的熱真空實驗，著重研究了BGO量能器的溫度效應(yīng)。由于衛(wèi)星實驗的特殊性決定了DAMPE探測

6、器在軌會處于一個溫度變化較大的運行環(huán)境(-15℃～+20℃)，而BGO是一種對溫度敏感的無機晶體，它的熒光產(chǎn)額與溫度有較強的相關(guān)性，同時探測器元件和電子學也具有一定的溫度特性。在設(shè)計運行溫度的高低溫極限的情況下，探測器輸出信號會存在約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)，刻度了每個探測單元的溫度系數(shù)，其均值為-1.409％/℃?；谠摐囟认?/p>

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驗中不同溫度下的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實驗的重要物理目標。第五章針對DAMPE探測器鑒定件在歐洲核子中心進行的離子束流測試，討論了BGO晶體在高能離子下的猝滅效應(yīng)，以及BGO量能器對離子的能量響應(yīng)。在猝滅效應(yīng)研究中，本工作通過尋找BGO量能器中的離子MIPs事例，首次觀

8、測到了電荷數(shù)Z＞5，且每核子動量為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探測器來鑒別離子種類，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，對探測器的在軌標定和實驗數(shù)據(jù)分析成為本文的工作重心。本文第六章圍繞BGO量能器的在軌觀測展開。首先介紹了衛(wèi)星所處的空間環(huán)境，包括太陽光照角、地球輻射帶等對探測器的

9、影響。接著，介紹了目前量能器的在軌標定情況，得益于地面實驗對量能器的刻度做了充分的研究，結(jié)果顯示發(fā)射后六個月內(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。由于在軌觀測時間尚短，數(shù)據(jù)需要積累統(tǒng)計量，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Ageom∈sel約0