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中国天文学会2014年学术年会

作者：冯磊紫金山天文台

"暗物质粒子探测卫星"计划已被列入中科院"空间科学战略性先导科技专项",由紫金山天文台、中国科技大学、中科院兰州近代物理研究所、中科院高能物理研究所等单位合作研发。暗物质粒子探测卫星将于2015年低发射,相... 详细信息

"暗物质粒子探测卫星"计划已被列入中科院"空间科学战略性先导科技专项",由紫金山天文台、中国科技大学、中科院兰州近代物理研究所、中科院高能物理研究所等单位合作研发。暗物质粒子探测卫星将于2015年低发射,相关仪器的研发进展顺利。AMS02最新研究

关键词：暗物质粒子探测卫星研发进展

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暗物质粒子探测卫星BGO量能器地面自动化测试软件

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核技术 2015年第12期38卷 38-43页

作者：马思源封常青沈仲弢王奇刘树彬安琪中国科学技术大学核探测与核电子学国家重点实验室合肥230026 中国科学技术大学近代物理系合肥230026

锗酸铋(Bismuth Germanate,BGO)量能器是我国即将发射的暗物质粒子探测卫星的关键分系统之一。在为期数年的工程研制过程中,需开展大量测试工作,包括初样鉴定件、正样飞行件共计40块前端电子学板的性能测试,初、正样共计约1 600个光电... 详细信息

锗酸铋(Bismuth Germanate,BGO)量能器是我国即将发射的暗物质粒子探测卫星的关键分系统之一。在为期数年的工程研制过程中,需开展大量测试工作,包括初样鉴定件、正样飞行件共计40块前端电子学板的性能测试,初、正样共计约1 600个光电倍增管的LED光源刻度测试,以及初、正样单机各长达数月的多项地面环境模拟试验。针对以上测试和试验过程中的自动化数据采集和指令参数配置等需求,设计开发完成了一个基于Lab Windows/CVI开发平台和虚拟仪器技术的自动化测试系统,并投入实际应用,减轻了实验人员的工作强度,提高了测试效率,为暗物质粒子探测卫星BGO量能器的研制和工程生产的顺利进行提供了保障。

关键词：暗物质粒子探测卫星锗酸铋量能器 LabWindows/CVI 虚拟仪器

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暗物质粒子探测卫星BGO量能器在轨标定和宇宙线碳通量谱测量

暗物质粒子探测卫星BGO量能器在轨标定和宇宙线碳通量谱测量

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作者：武利波中国科学技术大学

学位级别：博士

暗物质粒子探测卫星(DAMPE)于2015年12月17日在酒泉卫星发射基地发射升空并开始实时取数，是我国第一颗用于高能宇宙线探测的卫星。截止目前它已在轨稳定运行超过五年，各项性能指标良好。DAMPE每天在轨采集到约500万个事例，其中大于10... 详细信息

暗物质粒子探测卫星(DAMPE)于2015年12月17日在酒泉卫星发射基地发射升空并开始实时取数，是我国第一颗用于高能宇宙线探测的卫星。截止目前它已在轨稳定运行超过五年，各项性能指标良好。DAMPE每天在轨采集到约500万个事例，其中大于10TeV的事例约有90个。DAMPE的主要科学目标是通过探测高能电子、光子来间接寻找暗物质存在的证据，并精确测量高能核素宇宙线能谱，同时对伽马射线天文学进行研究等。　　DAMPE探测器可以精确区分宇宙线核素，在核素分析方面，B/C比一直是国际上主流的天文观测量，B/C比比被认为是研究宇宙线加速和传播机制的重要工具。宇宙射线中的碳核被认为主要是在天体源中产生和加速的，而硼核则是由较重的原子核(如碳和氧)，和星际物质中的气体碰撞产生。因此，B/C比将直接反映宇宙射线穿过星际物质的平均物质量，可作为研究宇宙射线传播机制最清晰直接的探针。与国际上主流的卫星实验相比，暗物质粒子探测卫星的优势体现在其具有更宽的能量测量范围、更优异的能量分辨率以及更大的接收度。基于此，作者利用DAMPE卫星海量的在轨数据开展对碳核素能谱的分析工作，并初步完成该分析。　　本论文主要工作是对暗物质粒子探测卫星在轨数据进行分析，主要包含两大部分:BGO量能器在轨刻度与运行状态的研究以及碳核素通量谱分析。　　BGO量能器在轨刻度部分:　　1.考虑到空间环境的复杂性，结合DAMPE实验的实际运行情况，针对BGO量能器开发了一系列基本参数的刻度方法，包括:电子学基线、MIPs能标、PMT打拿极增益比、BGO晶体荧光衰减长度和触发阈值的刻度等，这些参数的准确性直接决定了能量重建的精度，为物理成果夯实基础。　　2.根据60cm长的BGO晶体的“自身缺陷”以及刻度得到的BGO晶体荧光衰减长度，开发了修正算法对荧光衰减效应进行修正，保障了每个BGO晶体单元两端测量结果的一致性，使一致性从94.1％(修正前)改善到99.8％(修正后)。真正做到了量能器两端测量数据的“独立性”，使得量能器在轨测量结果可以开展“自检查”，有力地保障DAMPE的物理结果。　　3.为了对更高能区进行刻度和能量重建检查，利用空间高能重离子对BGO量能器开展了能量重建的精度及各单元一致性的检查，该方法可以使得在轨标定的能区扩展到约10GeV能区。　　4.长期跟踪BGO量能器的工作状态，研究量能器的老化效应，观察到BGO晶体荧光衰减长度以4.8mm的速度老化，为此开展相关修正工作，以保障DAMPE在轨数据的稳定性。　　在轨碳核素分析部分:　　1.利用蒙卡模拟和在轨数据，详尽地对比了重核素在DAMPE探测器的响应行为，并完成了针对重核素的预筛选算法，选出了在量能器内部簇射发展良好的事例，排除从量能器底部和侧向泄漏严重的事例，为后期核素分析打下基础。　　2.通过研究碳核素在STK探测器内部的响应情况(蒙卡和在轨数据)，完成了针对重核素的径迹筛选算法，该算法大大压低了在轨高通量的质子和氦核素对目标核素(硼、碳、氮、氧)的污染，同时提高了径迹挑选的正确率，使重建电荷的分辨率提高。　　3.针对量能器1.6λI(核作用长度)对能谱重建带来的影响，对Unfolding方法进行相关调研与研究，并采用BayesianUnfolding的方法对能谱进行重建，得到100GeV至30TeV的碳核素原初能谱。　　4.对探测器物理接收度进行相关研究，并利用蒙卡模拟计算得到碳核素的物理接收度，其中原初能量为100GeV至100TeV碳核素对应的接收度约在0.048m2·Sr至0.066m2·Sr之间。　　5.利用蒙卡和在轨数据完成碳核素相关效率的标定工作，包含:STK径迹重建的效率、电荷重建的效率和高能触发逻辑的效率，结果显示蒙卡和在轨数据相关效率一致，证明蒙卡模拟的正确性。　　6.基于DAMPE在轨数据，初步得到了100GeV至30TeV的宇宙线碳核素在轨通量谱，结果显示该能区范围内能谱并非单一幂律分布，在2TeV左右有能谱变硬的趋势。

关键词：暗物质粒子探测卫星 BGO量能器宇宙线 B/C比

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暗物质粒子探测卫星BGO量能器在轨标定方法的研究

暗物质粒子探测卫星BGO量能器在轨标定方法的研究

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作者：王远鹏中国科学院大学

学位级别：博士

暗物质粒子探测卫星（Dark Matter Particle Explorer，简写DAMPE）是中国空间科学系列卫星的首发星，也是目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的高能粒子探测卫星。它主要通过对电子宇宙射线、伽马射线的高精度能谱观测来寻找... 详细信息

暗物质粒子探测卫星（Dark Matter Particle Explorer，简写DAMPE）是中国空间科学系列卫星的首发星，也是目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的高能粒子探测卫星。它主要通过对电子宇宙射线、伽马射线的高精度能谱观测来寻找暗物质粒子存在的证据，并开展宇宙线以及伽马射线天文的研究。　　本文首先对暗物质的进行了概述，随后对DAMPE的探测器、数据处理、生产流程进行了全面的介绍，尤其是较详细的介绍了本人负责研发的DAMPE数据生产流程的功能模块。　　本文主要研究了DAMPE的BGO探测器（锗酸铋探测器）的在轨标定，首先是MIP（也就是最小电离粒子）标定，这是探测器能精确的进行能量测量的关键保障之一。我们研究了BGO探测器的温度效应，发现其整体温度系数约为-1.200％/℃;对于单根晶体而言，变化范围为-0.77％/℃到-1.60％/℃。考虑到DAMPE一年内的最大温差能够达到8℃左右，一旦忽略了温度效应，DAMPE的能量分辨率将显著降低。考虑到DAMPE日极限温差，我们将MIP标定的周期设置为每天一次。我们还研究了DAMPE的打拿极线性标定过程，该过程对于测量高能宇宙线的能量甚为关键。我们对原有的处理方法进行了完善，显著的改进了数据质量。我们还研究了打拿极线性标定结果的温度系数，发现其对温度变化并不敏感，但会受到探测器本身如老化等的限制，所以把打拿极线性标定的周期设定为每五天一次。　　我们的研究成果得到DAMPE合作组的认可，已经成为合作组官方软件的组成部分，直接应用于卫星的物理事例重建，为DAMPE合作组顺利地发表25GeV-4.6TeV的电子宇宙射线数据做出了贡献。

关键词：暗物质粒子探测卫星 BGO量能器在轨标定最小电离粒子

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暗物质粒子探测卫星BGO量能器前端电子学抗辐射可靠性的研究

暗物质粒子探测卫星BGO量能器前端电子学抗辐射可靠性的研究

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作者：高山山中国科学技术大学

学位级别：博士

暗物质问题是粒子物理和宇宙学的研究热点之一。我国正在研制暗物质粒子探测卫星，通过高分辨测量高能电子和γ射线的能谱和空间分布来进行暗物质粒子探测，以期望在这一前沿科学领域取得突破。　　暗物质粒子探测卫星将运行在500 km的... 详细信息

暗物质问题是粒子物理和宇宙学的研究热点之一。我国正在研制暗物质粒子探测卫星，通过高分辨测量高能电子和γ射线的能谱和空间分布来进行暗物质粒子探测，以期望在这一前沿科学领域取得突破。　　暗物质粒子探测卫星将运行在500 km的近地轨道，设计寿命三年以上，空间辐射环境是星载电子学设备可靠性的重要威胁之一。　　BGO量能器是暗物质粒子探测卫星关键有效载荷之一，由308根BGO晶体组成14层探测器阵列，每根晶体两端各耦合一个光电倍增管(PMT)，每个PMT的2、5和8打拿极引出，因此一共有1848个探测器信号需要测量。在功耗、重量和空间都严格受限的卫星平台，如何实现性能和抗辐射的平衡是BGO量能器前端电子学面临的关键设计挑战之一。　　本论文以BGO量能器前端电子学的抗辐射设计为研究对象，主要内容安排如下:　　第一章对空间暗物质粒子探测的物理意义、暗物质粒子探测卫星的科学目标和设计方案、以及关键有效载荷BGO量能器进行介绍。　　第二章描述了辐射环境和主要辐射效应，分析了暗物质粒子卫星的辐射环境，介绍了单粒子效应和总剂量效应评测方法和抗辐射加固技术。　　第三章对国际上主要空间粒子探测器的抗辐射设计方法进行研究，指出了抗辐射可靠性是空间粒子探测器电子学系统面临的的主要挑战之一，进而对BGO量能器前端电子学抗辐射设计需求进行分析。　　第四章对BGO量能器前端电子学的关键元器件VA160、VATA160和FPGA进行抗辐射性能评估。　　第五章研究抗辐射加固技术在BGO量能器前端电子学的应用。通过采取多种抗辐射加固措施，有效降低了前端电子学发生辐射故障的几率，也减轻了辐射故障的严重程度，提高了前端电子学的抗辐射可靠性。　　第六章从BGO量能器前端电子学单机层次分析抗辐射可靠性。　　经元器件级、板级和单机级的辐射评估和防护设计工作，任何辐射效应可能诱发的故障都被屏蔽或者纠正，BGO量能器前端电子学抗辐射可靠性达到空间应用需求。

关键词：暗物质粒子探测卫星锗酸铋量能器前端电子学抗辐射设计可靠性分析

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暗物质粒子探测卫星在轨模拟及相关校准研究

暗物质粒子探测卫星在轨模拟及相关校准研究

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作者：蒋维中国科学技术大学

学位级别：博士

暗物质作为人类科学研究的一个未解之谜,是现代天文学研究的一个热点前沿,无数科学家为穷尽毕生心血都想探究暗物质的本质。暗物质粒子探测卫星(DAMPE)是我国第一颗空间天文卫星,也是目前国际上高能量分辨率和宽能段的空间粒子探测器之... 详细信息

暗物质作为人类科学研究的一个未解之谜,是现代天文学研究的一个热点前沿,无数科学家为穷尽毕生心血都想探究暗物质的本质。暗物质粒子探测卫星(DAMPE)是我国第一颗空间天文卫星,也是目前国际上高能量分辨率和宽能段的空间粒子探测器之一。DAMPE的主要科学目标是精确测量宇宙线中的电子、质子和核素,以及伽马射线,来间接搜寻暗物质可能存在的信号。DAMPE非常高的能量分辨使其在暗物质粒子间接探测,尤其是在伽马射线线谱搜寻方面具有独特的优势。作者在DAMPE合作组内主要负责离线数据处理软件的开发和维护,探测器相关模拟和重建算法研究,以及伽马射线数据的分析和相关标定。本文介绍了本人在DAMPE合作组内的一些相关研究进展和结果。第一章简要介绍了本文围绕DAMPE开展数据分析工作的研究背景,首先叙述了暗物质的存在证据、相关理论模型和探测方法,引入以暗物质间接探测为主要科学目标的DAMPE卫星项目,并简要介绍了 DAMPE的有效载荷的设计原理和相关指标参数。在轨运行中对仪器性能指标的标定的数据分析工作不仅表明探测器良好的工作性能,也是本文的研究基础。第二章介绍了 DAMPE在轨运行期间,我主要参与的离线数据处理软件和以此软件为基础的探测器模拟。离线数据处理软件是协调整个合作组数据分析的关键,我在早期就参与开发了离线数据处理软件框架,在卫星在轨运行后,一直独立负责后续的维护和优化工作。同时也作了很多基于软件框架的探测器模拟,在质子能谱的分析过程中,我分析了基于FLUKA和GEANT4两种不同模拟软件的数据,根据其在量能器中的强子簇射过程的对比,估计了 DAMPE对质子能谱的测量中,由强子模型的不确定性的系统误差总体上约为10%。第三章介绍了我在根据前面的探测器模拟以及国际上其他同类卫星的相关经验独立开发的一套DAMPE伽马射线巡天模拟程序。此程序能够准确地模拟DAMPE对伽马射线巡天观测的具体过程,在DAMPE的伽马射线天文研究方面有着重要的作用。文中详细展示了模拟的随机过程原理和具体的算法实现,并且也给出了相关校验结果,同时也能和其它独立的伽马射线分析程序以及观测数据交叉验证。第四章介绍了我基于伽马射线的观测结果,提出一种极大似然估计的方法校准了探测器有效载荷与卫星平台大约0.15°的角度偏差。同时应用第三章所述的模拟程序很好的验证了这种校准的方法。这种校准有效提高了 DAMPE对伽马射线的测量精度,为后续的物理结果奠定了良好的基础。最后一章是对全文的总结和对未来工作的展望。

关键词：暗物质粒子探测卫星 GEANT4模拟 FLUKA 巡天模拟伽马射线数据分析定向校准

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暗物质粒子探测卫星的能量重建和宇宙线质子能谱的分析

暗物质粒子探测卫星的能量重建和宇宙线质子能谱的分析

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作者：岳川中国科学院大学

学位级别：博士

宇宙线的观测研究和暗物质粒子的间接探测是高能天体物理领域两个重大研究课题。自1912年***发现宇宙线开始，人类对宇宙线的观测历史已经超过了一个世纪，传统理论模型预言“膝”区以下能段的宇宙线能谱应服从单一幂率分布，而近些年... 详细信息

宇宙线的观测研究和暗物质粒子的间接探测是高能天体物理领域两个重大研究课题。自1912年***发现宇宙线开始，人类对宇宙线的观测历史已经超过了一个世纪，传统理论模型预言“膝”区以下能段的宇宙线能谱应服从单一幂率分布，而近些年的空间和高空气球实验表明10GeV-100TeV的宇宙线质子能谱可能存在偏离单一幂律谱分布的重要结构，这对研究银河系内宇宙线的起源、传播和加速机制具有重要意义。另一方面，得益于宇宙线和伽马射线观测精度和观测能段的不断提高，暗物质粒子的间接探测在国际上受到极大关注，暗物质粒子可能会发生湮灭或衰变产生稳定的普通高能粒子，包括正负电子对、正反质子对、伽玛射线和中微子等，进而在宇宙线或伽马射线留下可探测的信号。　　暗物质粒子探测卫星(DAMPE)是中国发射的第一颗空间天文卫星，也是目前国际上最为先进的空间高能粒子探测器之一，可以实现对高能宇宙线和伽马射线的精确探测，并在此基础上开展暗物质信号搜寻和其他高能天体物理课题的研究。伴随DAMPE的发射和在轨运行，作者参与了卫星在轨标定、科学数据分析软件和探测器模拟程序的开发与测试、物理事例重建和宇宙线粒子能谱分析等诸多方面的工作。　　探测器模拟不仅对研究数据重建方法和理解实验结果具有重要意义，同时也是获取探测器对不同入射粒子的仪器响应（如能量分辨、角度分辨）的重要途径。本文第二章介绍了DAMPE探测模拟程序开发过程中的相关问题，包括探测器的几何建模、探测单元响应信号的读出、模拟信号数字化（电子学噪声添加）过程。此外，本文利用卫星在轨数据对探测器模拟程序进行了对比验证。　　在完成探测器模拟程序的基础之上，本文利用模拟数据研究了针对不同粒子的能量重建方法。粒子在量能器中的簇射发展可分为电磁簇射和强子簇射两种，两种簇射在量能器中的发展过程和能量沉积行为有很大不同。针对电磁簇射型粒子（电子、光子），本文研究了一种基于簇射发展形状的参数化能量修正算法，能够逐事例对入射电子或光子的泄露能量进行补偿修正，并可以有效提高测量的能量分辨率;针对强子簇射型粒子（质子、重核），本文研究了能谱反卷积的算法，利用量能器的沉积能量分布重建出入射粒子的原初能量分布。我们利用电子和质子束流实验数据，分别对两种算法进行了检验。这些工作分别在第三、四章进行了介绍。　　第五章系统介绍了宇宙线质子能能谱谱的分析工作，主要包括在轨质子事例的挑选、选择效率的标定、本底的估算、能谱反卷积、质子流量的计算和误差分析。基于DAMPE两年的在轨飞行数据，本文得到了50GeV-20TeV的宇宙线质子能谱的初步测量结果，结果显示在该能最范围内质子能谱明显偏离单一幂律分布，能谱在约400GeV能量出现变硬的结构，这与PAMELA和AMS-02得到的观测结果一致。

关键词：宇宙线暗物质粒子探测卫星能量重建宇宙线质子能谱

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暗物质粒子探测卫星“悟空”成功发射(四)

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实验室研究与探索 2016年第5期 2-3页

作者：本刊

4成功获得首批探测数据已在太空围绕地球飞行了100多圈的暗物质粒子探测卫星"悟空"在升空后的第7天,12月24日睁开了它的"火眼金睛"(图11),正式开始它寻觅宇宙"幽灵"暗物质以及宇宙射线的科学探测工作。... 详细信息

4成功获得首批探测数据已在太空围绕地球飞行了100多圈的暗物质粒子探测卫星"悟空"在升空后的第7天,12月24日睁开了它的"火眼金睛"(图11),正式开始它寻觅宇宙"幽灵"暗物质以及宇宙射线的科学探测工作。这一寻觅一旦开始便不会停歇,直至它生命的最后一刻。科学家希望那些在宇宙中纷飞了亿万光年时空,又恰好落入"悟空""眼"中

关键词：暗物质粒子探测卫星悟空

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暗物质粒子探测卫星“悟空”成功发射(一)

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实验室研究与探索 2016年第2期 3-4页

作者：本刊编辑部

今年习近平总书记在新年致辞中提到"我国科学家研制的暗物质探测卫星发射升空",并说"只要坚持,梦想总是可以实现的"。我国为何要发射暗物质探测卫星,它有何重大意义,卫星情况如何?就此问题本刊根据网上资料进行综... 详细信息

今年习近平总书记在新年致辞中提到"我国科学家研制的暗物质探测卫星发射升空",并说"只要坚持,梦想总是可以实现的"。我国为何要发射暗物质探测卫星,它有何重大意义,卫星情况如何?就此问题本刊根据网上资料进行综合摘编整理,由于内容较多,将分期刊登,供大家参考。

关键词：暗物质粒子探测卫星暗物质习近平总书记空间科学星系团悟空

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暗物质粒子探测卫星“悟空”成功发射(二)

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实验室研究与探索 2016年第3期 3-6页

作者：本刊编辑部

关键词：暗物质暗能量普通物质暗物质粒子探测卫星宇宙大爆炸悟空

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