基于电荷分配方法的暗物质粒子探测卫星硅阵列探测器的电荷重建

Silicon-Tungsten Tracker (STK) is one of the 4 subdetectors of DArk Matter Particle Explorer (DAMPE). It can measure the trajectory and the charge for incident ions. STK has 12 layers of silicon microstrip detectors with good energy resolution, leading to precise measurements of ion charges. This is very important to the study of cosmic rays for DAMPE. Compared to the traditional charge reconstruction method (e.g. AMS-02 and AGILE), the charge sharing method has better performance for large inclinations and also provides quality estimators and abnormal exclusion for charge reconsruction.

硅阵列探测器(STK)是暗物质粒子探测卫星的4个载荷之一，主要功能是测量入射粒子的径迹以及入射粒子的电荷量。由于硅微条探测器有极高的本征能量分辨，而且硅阵列探测器拥有12层硅微条探测器，所以能够提供极为准确的带电粒子的电荷信息，是暗物质粒子探测卫星研究宇宙线物理的基本前提。基于电荷分配的电荷重建方法相较于传统的电荷重建方法（如AMS-02和AGILE），不仅能够更好的重建大角度事件，还能评估每次的电荷重建质量，排除异常事件的干扰。

暗物质粒子探测卫星（Dark Matter Particle Explorer; DAMPE）是我国首颗空间天文卫星并于2015年12月17日成功发射。暗物质粒子探测卫星的研究方向主要是暗物质粒子的间接探测、宇宙线的测量以及伽马射线天文。硅阵列探测器是暗物质粒子探测卫星的四个载荷之一，由768片硅微条探测器组成，用于测量带电粒子的径迹和电荷。.虽然硅微条探测器拥有很高的本征能量分辨，但是由于硅探测器表面被切割成中心间距为121微米的探测单元，所以斜入射的带电粒子会同时穿过多个探测单元，造成复杂的信号响应，信号离散高达35%。因此，为了取得高电荷分辨，通过算法来校正此复杂响应至关重要。.基于电荷分配的硅阵列探测器电荷重建方法是一种基于硅微条内在信号响应的电荷重建方法。这个方法把硅微条信号响应分解为：带电粒子在径迹附近电离出许多电子空穴对、电子空穴对在灵敏区电场中漂移和收集、收集的电量在硅微条等效电容网络中分配。.本项目主要从四个方面来开展研究：.1、对硅微条探测器进行电性测量，包括微条的体电容、条间电容、耦合电容、偏压电阻、微条电阻等，为下一步仿真提供输入参数。.2、建立硅微条等效电容网络模型，仿真硅微条探测器的电荷响应，包括电荷收集效率与入射位置的关系，并与束流实验的实测值进行对比。确认电荷分配原理的正确性。.3、基于电荷分配原理推导电荷重建算法，并应用于束流实验数据。对于垂直入射数据，新的电荷重建算法的电荷分辨与传统电荷算法相当；对于统计量较低的斜入射数据，传统电荷算法无法标定，而新的电荷重建算法成功完成电荷重建，且电荷分辨与垂直入射相当。.4、把电荷重建算法应用到暗物质粒子探测卫星在轨数据。最终重建后的质子、氦和锂的电荷分辨分别为0.038、0.052和0.066个电荷单位。.基于电荷分配的电荷重建算法成功实现了硅径迹探测器的电荷重建，为暗物质粒子探测卫星研究宇宙线提供基础工具。此外，此算法不局限于暗物质粒子探测卫星的硅微条探测器，只需要正确配置等效电容网络的参数，即可应用于其他空间项目的硅微条探测器的电荷重建。