空间暗物质探测卫星BGO量能器的研制与标定

摘要

暗物质的存在已被越来越多的天文观测所证实，在其众多的候选者中，WIMPs具有非常突出的优势，并成为现今最热门的暗物质探寻对象。
　　空间暗物质探测实验就是通过探测WIMPs湮灭或衰变产生的末态粒子:伽马射线、电子和正电子等，来间接地寻找暗物质存在的证据。暗物质粒子探测卫星（Dark Matter Particle Explorer，缩写DAMPE）是中国科学院空间战略先导专项的首批四颗科学探测卫星之一，预计将于2015年12月作为首星发射。在学习和理解国际上已完成（如ATIC，PAMELA）和正在运行(FERMI-LAT，AMS-02)的同类实验的基础上，DAMPE将致力于极高能段的正负电子(5GeV-10TeV)、伽马射线及核素能谱的测量，以期以较高的测量精度填补高能段的测量空白。
　　本文工作的重心是BGO电磁量能器，它是DAMPE实验的核心子探测器之一。文中首先对暗物质的提出、候选及搜寻等物理背景做了介绍。进而从DAMPE探测器设计目标和结构出发，对其各个子探测器进行了较系统的描述。
　　大能量动态范围(5GeV-10TeV)的测量是DAMPE项目的关键技术之一，BGO量能器中，光电倍增管的分压和信号引出电路板(PMT base)是实现这一关键技术的核心元件。文中第三章详细讨论了这种多打拿极(Dynode8，5，2)读出PMT base的设计、测试、改进和验证的过程。结合VA32电子学，最终实现2×105的能量动态范围测量的设计要求，对应PMT的Dy8，Dy5，Dy2输出，分别覆盖了0.5-102 MIPs，30-3×103 MIPs和103-105 MIPs的测量范围（在此，1MIPs约为23MeV）。
　　卫星实验的特殊性要求探测器单元具有更高的稳定性和可靠性。在BGO量能器的建造过程中，对探测元件进行了细致的性能研究、测试和筛选，以实现更高的可靠性。第四章沿着BGO电磁量能器工程样机建造的时间主线，对其主要元件（BGO晶体，PMT等）的性能测试、单元匹配等进行了系统的讨论。其中包括，PMT的老化效应、磁屏蔽、打拿极线性，以及BGO晶体的光产额、非均匀性等重要特征。
　　量能器的建造完成后，最为重要的任务就是利用地面宇宙射线和粒子束流来标定探测器基本参数和评估其基本性能。第五章侧重于基本参数的刻度方法研究，给出了电子学基线、MIPs响应、PMT打拿极比率、晶体衰减长度、触发阈值等参数的刻度方法，及这些参数对量能器事例重建和修正影响的考虑。接着（第六章），根据刻度所得参数，完成了BGO量能器的蒙特卡洛模拟的快速数字化。最后，利用宇宙射线和高能粒子束流所得的刻度参数，对束流数据(CERN测试)的能量进行重建和修正（电子），并和蒙特卡洛数字化模拟的结果进行对比（第七章）。模拟和实验所得的能量分辨率随能量变化关系，验证了探测器对800GeV的入射电子可以实现好于1.5％能量分辨的设计指标。
　　另外，论文借助蒙特卡洛模拟数据，对量能器的e/p分辨能力进行了的方法性研究，初步结果表明，在86.1GeV-103.3GeV能段，BGO量能器可以实现～105的本底抑制能力（对200GeV的质子）。并对实验中的误差来源做了初步考虑。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 暗物质与暗能量

1．2．1 暗物质

1．2．2 暗能量

1．2．3 暗物质的候选者

1．2．4 暗物质探寻

1．3 可能的方向-替代理论

参考文献

第二章 暗物质粒子探测卫星(DAMPE)

2．1 设计指标

2．2 DAMPE的组成和子探测器设计

2．2．1 塑料闪烁体探测器(PSD)

2．2．2 硅微条径迹探测器(STK)

2．2．3 BGO电磁量能器(BGO ECAL)

2．2．4 中子探测器(NUD)

2．3 触发方案

2．4 DAMPE轨道参数和空间环境

参考文献

第三章 BGO量能器关键技术

3．1 设计分析

3．2 性能评估

3．3 PMT base设计

3．3．1 分压电路设计

3．3．2 不同稳压电容分布的比较

3．3．3 信号串扰

3．3．4 对地电阻、电容值的选择

3．3．5 结构和热设计

3．4 动态范围

3．5 小结

参考文献

第四章 BGO量能器单元测试和整机组建

4．1 量能器的基本原理

4．1．1 电磁簇射和电磁量能器

4．1．2 强子簇射和强子量能器

4．2 基本探测单元性能测试

4．2．1 锗酸铋(BGO)晶体

4．2．2 光电倍增管(PMT)

4．2．3 光电倍增管老化实验

4．2．4 PMT磁屏蔽和灌封

4．2．5 PMT批量测试

4．2．6 600mm的长晶体性能

4．2．7 量能器的整机组建

4．3 整机测试与环境试验

4．4 小结

参考文献

第五章 探测单元的参数刻度

5．1 探测器刻度基本流程

5．2 电子学DAC刻度

5．3 电子学基线(Pedestal)

5．4 BGO晶体的光传输衰减长度

5．4．1 k0／k1刻度

5．4．2 衰减长度

5．4．3 600ram长BGO晶体的分期生长问题

5．5 PMT的打拿极关系(Dynode ratios)

5．6 最小探测单元(MDU)的MIPs响应

5．7 探测单元的温度效应

5．7．1 基线随温度的变化

5．7．2 MIPs峰位随温度的变化

5．8 触发系统的TA阈值标定

5．9 小结

参考文献

第六章 蒙特卡洛模拟的参数数字化

6．1 蒙特卡洛方法及Geant4简介

6．2 BGO量能器精细化的数字化全模拟流程考虑

6．3 BGO量能器模拟的快速数字化

6．3．1 能量分辨率

6．3．2 阈值

6．3．3 快速数字化流程

6．4 数字化模拟结果

6．5 小结

参考文献

第七章 高能粒子束流标定及其模拟

7．1 束流条件和设置

7．1．1 束流条件实验内容

7．1．2 DAMPE束流实验设置

7．2 实验温度监测及参数标定

7．3 电子的能量重建与修正

7．3．1 MIPs能量标度及打拿极关系

7．3．2 电子能量重建

7．3．3 束流的数字化模拟对比

7．3．4 粒子垂直入射晶体缝隙问题

7．3．5 电子能量修正

7．4 量能器的角度重建

7．4．1 电子束流角度重建

7．4．2 角度重建的修正

7．5 电子和质子区分

7．5．1 能量在量能器中的分布

7．5．2 电子和质子不同特征

7．6 误差来源

7．7 小结

参考文献

第八章 总结

致谢

在读期间发表的主要学术论文