下一代暗物质粒子探测卫星DAMPEII的关键技术研究

Indirect dark matter detection with cosmic ray detector in space is an important method to search for dark matter. DAMPE (DArk Matter Particle Explorer) is a satellite mission of the Chinese Academy of Sciences (CAS) dedicated to high energy cosmic ray detection. It has operated smoothly in space for about 2.5 years and DAMPE collaboration has published the first result of the electron spectrum from 25GeV to 4.6TeV with unprecedented resolution in Nature. To measure the spectrum of electron and gamma-ray more precisely, DAMPE collaboration is proposing the next Dark Matter Particle Explorer, named DAMPEII. DAMPEII will measure the 0.2GeV~20TeV electron and Gamma-ray with 1.5%@50GeV energy resolution, 0.2 degree@50GeV spatial resolution, >3 meters square*Sr acceptance @ 50GeV Gamma. In this project, we plan to do some researches of DAMPEII detector design based on its scientific requirement. We will develop the key technologies of high performance silicon-strip tracker and imaging calorimeter design for DAMPEII. Finally, a detector prototype will be implemented for cosmic-ray and beam test. We will analyse the performance of the prototype based on the test result. All the work in this project will offer technical options for the realization of DAMPEII engineering model.

利用空间高能粒子探测器间接探测暗物质是寻找暗物质的一个重要手段。我国的暗物质粒子探测卫星DAMPE已经运行将近2年半，并在国际上首次发表了高分辨的高能电子能谱（25GeV-4.6TeV）空间观测结果。为了得到电子、伽马能谱更高能更精细的观测结果，以期在伽马射线线谱，电子能谱及相关核素能谱等其他暗物质特征谱型的探测方面取得突破性进展，DAMPE的团队提出了下一代暗物质粒子探测卫星DAMPEII计划，其工作能段为0.2 GeV- 20 TeV（电子／伽马射线）、能量分辨率优于1.5%@50GeV、角度分辨率好于0.2度@50GeV、50GeV的伽马射线接收度达好于3平方米立体角。本项目针对DAMPEII的需求，进行探测器设计研究，开展硅微条径迹探测器和图像量能器的关键技术研究，以期完成原理样机研制和测试，为将来DAMPEII的工程研制做技术预研。

利用空间高能粒子探测器是间接探测暗物质粒子的一个重要手段。项目组针对计划中的下一代暗物质粒子探测卫星DAMPEII的需求，完成了任务书中要求的各项研究内容。1) 在探测器设计方面，通过模拟不同探测器配置的角分辨、能量分辨等性能，针对不同的科学目标设计了两种探测器，并基于这两种探测器方案，向中国科学院空间科学先导专项（三期）管理部门提交科学卫星项目建议；2) 完成了硅微条径迹探测技术研发，在完成混合电路封装、多通道低噪声前端读出电子学、探测器的“全”模拟以及在轨实时数据压缩算法等关键技术的基础上，研发完成了硅微条探测器模块Ladder，实现单个Ladder的大探测面积（400平方厘米）和高位置分辨（50um），电子学读出噪声好于600e-@0pF输入电容；3)完成了图像量能器读出技术研发，研究利用硅光电倍增器SiPM和不同面积的光电二极管实现大动态范围的量能器读出，实现了读出通道的噪声水平低于0.1MIP（最小电离粒子），动态范围优于1E+6。该读出技术相对于“悟空”号卫星的方案，大大减小了读出电路所需要的空间，有利于通过低死区的拼接实现大面积高灵敏度的量能器。.在本项目的支持下，项目组通过完成这些关键技术攻关，为下一代暗物质粒子探测卫星计划实现能量分辨率优于1.5%@50GeV、角度分辨率好于0.2度@50GeV的高能探测奠定了技术基础；在项目执行期间，负责人郭建华作为核心成员获得了国家自然科学基金委创新群体项目支持（项目名称：空间天文），获得了中国天文学会黄授书奖，入选江苏省“333高层次人才培养工程”第二层次；同时基于本项目的研究成果，项目负责人2022年获得了基金委国家重大科研仪器研制项目资助（自由申请），开展高性能的径迹及低能伽马探测器的研制。