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空间暗物质探测电磁量能器的研究

张云龙  
【摘要】:天文观测表明,宇宙的成份中绝大部分是暗物质和暗能量,人们目前所了解的可见物质只占很少一部分。虽然通过天文观测,暗物质与暗能量已经得到人们的广泛认可,但是暗物质与暗能量的本质却不为人所知。人们比喻说:“暗物质与暗能量是二十一世纪物理学与天文学晴朗天空下的两朵乌云”。人们认为揭开暗物质、暗能量之谜,将是人类认识宇宙的又一次重大飞跃。这是因为理解暗物质和暗能量问题需要发展和建立新的理论并发明新的技术,一旦取得突破,将带来一场重大的物理学和天文学革命。 近年来,暗物质探测越来越热。我国为了在国际上占有一席之地,积极推动暗物质探测计划。有清华大学、上海交通大学等在锦屏山建立地下实验室,试图通过直接探测手段寻找暗物质候选者——WIMP。另外利用我国成熟的卫星平台把探测器送到太空去寻找暗物质存在的证据也在有条不紊的展开。本论文的主要工作就是针对空间暗物质探测,对探测器的一些性能进行研究。主要包含两大部分:模拟计算和实验研究。●模拟部分: 1.借助于高能物理模拟软件——GEANT4,构建探测器模型,研究了探测器对电子、伽玛和质子的响应;为星载电磁量能器的设计提供物理依据。 2.详细讨论了根据簇射轮廓对高能电子/质子的区分问题,提出量能器顶部的位置信息可以为电子/质子的区分提供有利信息,得到27个辐射长度可以实现的质子的排斥能力可以达到10~5;并对电子/伽玛的鉴别进行了初步分析,得到电子/伽玛的区分能力可以达到1%;论证从强质子背景中挑选出电子/伽玛的关键技术实现的可行性。 3.为了更好地区分高能电子和质子,拟在纵向适当位置增加吸收体以增加探测器纵向辐射长度,对“吸收体——钨板”的位置放置进行了模拟比较,寻找提高对质子背景排斥能力的最佳方案。 4.指出传统的“几何因子”概念在描述探测器时存在的缺陷,提出“物理接收度”概念代替“几何因子”,并利用MC模拟计算探测器的物理接收度,10GeV——10TeV电子对应的物理接收度为0.69 m~2*Sr——0.47 m~2*Sr;为正确的物理数据获得提供正确的关键系数。 5.最后对探测器的触发系统进行了初步讨论。●实验部分: 1.设计并搭建了闪烁体光产额和荧光传输均匀性测试平台,用来测试量能器各子单元BGO晶体的性质,为单元BGO晶体的基础数据的获得提供测试平台;利用中国科学院近代物理研究所质子束流对BGO晶体的荧光猝灭效应进行了初步研究,指出BGO晶体对高LET带电粒子的荧光饱和效应不能用Birk Law很好的描述(第三章)。 2.通过电子学模拟和实验相结合,采用一个光电倍增管的三个打拿极读出,满足量能器大动态范围(~1×105)测量的要求。解决了三个打拿极之间放大倍数线性、串扰等技术问题。搭建LED光源刻度系统对光电倍增管Base进行刻度。实验测量BGO晶体和光电倍增管子单元对宇宙线带电粒子的响应,并对荧光衰减问题进行了研究,从而确定该读出系统可以实现的动态范围0.5MIPs——1.5×105MIPs,解决了电磁量能器大动态范围读出的关键技术(第四章)。 3.搭建了一个由24根晶体组成的小型BGO阵列宇宙线测试平台,利用延迟线读出多丝室重建宇宙线的径迹,修正由于斜入射导致的宇宙线在BGO晶体里面的能量沉积的偏差;长时间进行测试,跟踪各子单元信号和噪声的稳定性;利用宇宙线的测试结果刻度FEE的hold time等参数的设置;为星载晶体量能器各种基础数据的获取,为进一步卫星立项,奠定了基础(第五章)。 4.数据库的建立为探测器各子单元的性能测试结果提供存储功能,方便以后的查询,为星载电磁量能器太空飞行的性能监测、刻度、修正和数据分析提供重要的参考数据(第六章)。 5.最后对论文进行了总结,并针对今后项目的进展提出建议(第七章)。


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