暗物质粒子探测卫星塑闪阵列探测器的设计与研制

【摘要】：自1933年暗物质概念首次被提出到现在,大量的天文观测结果证实了暗物质的存在。虽然暗物质假说已经被天文学家普遍接受,并在标准的大爆炸宇宙学模型(ΛCDM模型)中扮演重要角色,但暗物质的组成及其粒子属性问题依然困扰着人们,不断激发科学家们的研究兴趣。粒子物理的标准模型(The Standard Model)中不存在符合暗物质基本性质的候选粒子;另一方面,许多超出标准模型的新物理理论都预言了可能的暗物质粒子。因此,对暗物质粒子进行探测和实验研究有可能导致新的物理学革命。暗物质粒子探测卫星(DArk Matter Particle Explorer,简称DAMPE)是我国独立提出并自主研制的空间暗物质探测项目,是目前国际上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间暗物质粒子探测器。它基于间接探测的方法,通过测量空间中暗物质粒子湮灭或衰变产生的Te V量级的高能伽马射线和电子能谱来研究暗物质粒子。塑闪阵列探测器(Plastic Scintillator Detector,简称PSD)是DAMPE的关键子探测器之一,它主要有两个功能:1)协助BGO量能器进行高能e/γ鉴别;2)对Z=1～20的宇宙线重离子进行鉴别。本论文的工作围绕PSD的设计和研制过程展开,主要内容有:PSD选择塑料闪烁体作为探测介质,通过测量入射粒子沉积能量的大小实现其基本功能。为了降低e/γ误判率,PSD采用了模块化设计,由82个探测单元模块组成X、Y相互垂直的两个塑闪阵列平面。为了适应空间应用环境以及火箭发射过程,我们从力、热、电三个方面出发,对PSD各组件和功能模块进行了细致的设计。第二章对PSD的工作原理和总体设计进行了简单介绍。大动态范围读出是PSD的关键技术之一。根据PSD的功能需求,我们估算出PSD探测单元模块需要覆盖0.1 MIPs到1400 MIPs的动态范围,并完成了基于光电倍增管双打拿极引出的读出方案设计。我们对该方案进行了详尽的宇宙线测试和重离子束流测试,验证了其设计合理性。这些工作是第三章的主要内容。PSD使用光电倍增管作为读出器件,为了得到最佳的探测器性能,需要对使用的光电倍增管进行详尽的性能测试。为此,我们设计并搭建了一套PMT批量测试平台,并用该平台得到了PSD所有候选光电倍增管的相对增益特性曲线和Dy58比值增益特性曲线。第四章对这部分工作进行了详细介绍。空间实验的特殊环境要求PSD各组件具有更好的稳定性和可靠性。为此,我们制定了一套严格的质量控制程序,并应用到PSD组件生产和整体装配过程中。第五章详细介绍了PSD的建造过程,特别是PMT组件和塑闪单元条组件的测试、筛选、生产以及质量控制。PSD的建造完成后,需要进行完整细致的测试以得到其性能参数。我们专门设计和搭建了一套地面宇宙线标定测试平台,并用该平台对PSD进行了宇宙线标定。第六章对该平台进行了介绍,同时给出了PSD宇宙线标定的初步结果,包括基线噪声,MIP响应,能量分辨率,衰减曲线,探测效率以及位置分辨能力。DAMPE已于2015年12月17日发射升空并成功进入预定轨道。在轨测试显示,PSD工作稳定,各项性能指标满足设计要求并与地面测试结果一致。