暗物质粒子探测卫星基于在轨数据的探测器位置校准研究

The first astronomical satellite of China, the Dark Matter Particle Explorer (DAMPE), has been successfully launched into orbit on Dec. 17, 2015. DAMPE consists of four sub-detectors: Plastic Scintillation detector, Silicon-Tungsten tracker, BGO calorimeter and Neutron detector, with the goal of searching dark matter by measuring the spectrum of electron and gamma ray. The Silicon-Tungsten tracker is the most important detector in direction and charge measurement of incidence particles. The precision of its track reconstruction directly affects the dark matter search via the gamma ray space distribution. One key factor that affects the upper tracking precision is due to the position shift caused by space weightless environment, temperature change etc.. Thus need be corrected to guarantee that all tracks to be reconstructed upon correct detecting strip position. This project will concentrate on the research on the alignment correction method for the silicon strips of the detector by using on-orbit MIPs data and set up correction parameter database for further accomplishing high precision reconstruction of incident particle tracks. Similar corrections will also be done for the Plastic Scintillation detector and the BGO calorimeter.

我国首颗空间天文卫星-暗物质粒子探测卫星于2015年12月17日成功发射升空。暗物质粒子探测卫星由硅阵列探测器、塑闪阵列探测器、BGO量能器和中子探测器等四个子探测器构成。其中硅阵列探测器是测量入射粒子方向和电荷数的最关键探测器，其径迹重建精度将直接关系到通过测量高能γ射线空间分布寻找暗物质粒子存在的证据,影响上述精度的关键因素之一是作为硅阵列探测器各探测单元的硅微条的实际位置由于在空间失重、温度变化等多种因素影响而发生偏移等变化，因此需要加以校准，使得粒子径迹的重建是基于正确的探测器单元空间位置之上。本项目将通过研究提出结合暗物质粒子探测卫星空间最小电离事例（MIPs）数据对硅阵列探测器探测各单元位置校准的方法，获得校准参数并建立数据库，并以该方法和参数库处理该星空间观测数据，从而保证实现对入射粒子径迹以及方向的高精度重建, 校准工作也将对塑闪阵列探测器和BGO量能器进行。

利用研究任务起始时暗物质卫星收集的17个月左右的26亿宇宙线事例，我们对硅微条的空间位置进行了仔细的研究和校准[1]。考虑到该探测器的机械结构的稳定性以及在轨温度的有限变化，校准参数按每两周进行一次更新以确保探测器优化的径迹重建能力。通过硅微条探测器的位置校准，我们评估了入射到内部径迹探测器x-y平面内的质子在入射角<10度的有效位置分辨为47±2μm，入射角>45度时为45±3μm，而介于上面两者之间的角度时为41±2μm。对氦核而言上述三者分别是44±2μm，38±3μm和36±2μm。对外侧径迹探测器而言，由于径迹反推时的误差要大一些，因此，平均而言质子与氦核的有效位置分辨要分别差12和9微米。这一点与模拟数据的结果一致。应用所采取的位置校准方法，考察前述时间内的数据，优化的位置分辨的整体变化小于4%，也就是2微米，而且在轨数据的结果与模拟结果是一致的。.对塑闪阵列探测器（PSD）而言，校准的目的也是获得探测器的真实几何情况并将之运用于真实的在轨获取的数据，因为准确的PSD位置对宇宙线核素流量的测量是极其重要的。借助于中间和角落事例的η分布，PSD条的平移和转动可以比较平直地提取出来并将其输入到PSD的真实几何参数中去[2]。通过比较位置校准前后的η分布，可以看到角落事例对该参数的明显扭曲被清除了，说明此位置校准方法是高效的。由于位置校准导致的对电荷测量的改进，我们获得的结果将极大地减小对宇宙线核素流量测量时的系统误差。.基于本课题上述诸探测器位置校准的结果，在进行了相关探测器位置校准的前提下, DAMPE国际合作组于2019年和2021年分别发表了探测器在轨标定[3]、宇宙线质子[4]与宇宙线氦核的能谱[5]等成果，本课题的工作保证了上述成果的准确性和可靠性，同时说明了本工作的重要性。.参考文献：见英文摘要