空间暗物质探测卫星BGO量能器的研制与标定
发布时间：2023-02-08 09:33
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...
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
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
4.2.1.1 特征参数
4.2.1.2 光传输衰减
4.2.1.3 温度效应
4.2.2 光电倍增管(PMT)
4.2.2.1 PMT结构和原理
4.2.2.2 时间稳定性
4.2.2.3 温度效应
4.2.2.4 磁场效应
4.2.3 光电倍增管老化实验
4.2.3.1 测试方法
4.2.3.2 测试结果分析
4.2.4 PMT磁屏蔽和灌封
4.2.5 PMT批量测试
4.2.5.1 LED测试系统
4.2.5.2 PMT打拿极线性
4.2.5.3 PMT暗计数率
4.2.6 600mm的长晶体性能
4.2.7 量能器的整机组建
4.2.7.1 最小探测单元
4.2.7.2 量能器的整机组建与温度监控
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 600mmm长BGO晶体的分期生长问题
5.5 PM'T的打拿极关系(Dynode ratios)
5.6 最小探测单元(MDU)的MDs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 MPs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
本文编号：3737763
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
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
4.2.1.1 特征参数
4.2.1.2 光传输衰减
4.2.1.3 温度效应
4.2.2 光电倍增管(PMT)
4.2.2.1 PMT结构和原理
4.2.2.2 时间稳定性
4.2.2.3 温度效应
4.2.2.4 磁场效应
4.2.3 光电倍增管老化实验
4.2.3.1 测试方法
4.2.3.2 测试结果分析
4.2.4 PMT磁屏蔽和灌封
4.2.5 PMT批量测试
4.2.5.1 LED测试系统
4.2.5.2 PMT打拿极线性
4.2.5.3 PMT暗计数率
4.2.6 600mm的长晶体性能
4.2.7 量能器的整机组建
4.2.7.1 最小探测单元
4.2.7.2 量能器的整机组建与温度监控
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 600mmm长BGO晶体的分期生长问题
5.5 PM'T的打拿极关系(Dynode ratios)
5.6 最小探测单元(MDU)的MDs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 MPs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
本文编号：3737763
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