空间高能宇宙线穿越辐射探测器研究

High Energy cosmic Radiation Detection (HERD) facility is one of several space astronomy payloads onboard China's Space Station. Using a 3D imaging，five-sided sensitive total absorption calorimeter, it is designed as a next generation space facility focused on indirect dark matter search, precise cosmic ray spectrum and composition measurements up to the knee energy, and high energy gamma-ray monitoring and survey. This project is intended to carry out the HERD in-orbit energy calibration scheme and to improve the energy measurement resolution of the HERD. The basic design of TRD is given by a simulation of the detector. The TRD for HERD in-orbit energy calibration is developed by using the self-made THGEM. TRD Lorentz factor will be calibrated by beam testing in IHEP/CERN. By developing THGEM with the largest area of ​1m × 0.5m and TRD prototype of 20cm×30cm, we will accumulate the relevant technology of detector design and manufacturing, to provide technical support for future HERD exploration plan and promote the innovation and R&D work of domestic space detector.

中国空间站计划部署的高能宇宙辐射探测设施HERD采用全新的三维成像、五面灵敏全吸收式量能器设计，将成为国际上最具优势的暗物质空间探测设施。项目开展HERD在轨能量标定方案研究，利用穿越辐射探测器TRD标定量能器，提高HERD在TeV能区的能量测量分辨率。通过空间环境及探测器响应模拟，研究TRD本底抑制和反冲抑制方案，给出TRD标定时长，气体成分、探测效率、铺设面积、气体室层数等基本设计参数。项目采用自主研发的THGEM，研制可用于HERD在轨能量标定的TRD，并开展束流标定TRD Lorentz因子实验。项目通过研制最大面积1m×0.5m的THGEM膜和20cm×30cm 的TRD原理性样机，积累相关的探测器设计与制造技术，为将来HERD探测计划提供技术支持，推进国内空间探测器创新能力和自主研发工作。

利用穿越辐射探测器TRD在轨对高能宇宙辐射探测设施HERD量能器开展TeV能区能量标定，可以有效减小HERD量能器系统误差，将使HERD成为最具优势的暗物质空间探测设施。本项目以研制高灵敏度TRD为目标，按照计划开展基于厚型气体电子倍增器THGEM的TRD研究，创新性提出了侧窗式TRD，对宇宙线电离信号和穿越辐射X射线信号具有区分能力，能显著提高TRD探测灵敏度。研制出了侧窗式TRD原理样机，并在欧洲核子中心CERN和德国电子同步辐射研究所DESY开展TRD束流实验研究，实现TRD与HERD量能器的束流实验联调，对最小电离粒子的探测效率大于99.6%，完成高能带电粒子的Lorentz因子标定，呈对数线性关系，表明侧窗TRD所探测到的TR信号具有更高的信号显著性。开展穿越辐射体研究，通过理论模拟和实验优化，研制了各种规格穿越辐射体，在中科院高能所电子试验束完成穿越辐射体束流实验研究，得到高辐射产额的辐射体，实现高效的高能粒子穿越辐射响应。根据TRD束流实验和穿越辐射体束流实验结果，开展TRD模拟研究，建立了TRD探测器蒙特卡罗模型，模拟结果与实验结果一致。基于TRD蒙卡模型，开展HERD-TRD的标定方案研究，完成HERD量能器在轨穿越辐射探测器（TRD）标定方案预研，新型侧窗式TRD比传统TRD的在轨能量标定时间缩短一半。项目还研究了利用TRD非标定时间开展X射线暂现源天文观测的可能性，从而拓展TRD科学观测能力。目前TRD在国家重大科研仪器研制项目“高能宇宙辐射探测设施关键技术攻关及原理样机研制”支持下开展TRD工程样机研制工作。TRD作为HERD有效载荷，已通过中国载人航天办公室组织的科学目标和技术方案评审，等待立项实施。项目培养博士生13名、硕士生31名(已毕业取得学位14名)。项目计划任务书指定的科学研究、人才培养、团队建设和国际合作交流任务均已全面完成。