Conveners
14 - 空间天文与粒子探测
- Yongwei Dong (Institute of High Energy Physics, CAS)
14 - 空间天文与粒子探测
- 文溪 彭 (高能所(CAS-IHEP))
中国空间站高能宇宙辐射探测设施（HERD）项目是计划安装在中国空间站上的空间天文和粒子天体物理实验。HERD计划2027年10月发射并在中国空间站正式运行10年以上，其核心科学能力将长时间保持大幅度国际领先。为了提高几何因子，传统的方式是在保留前向窄视场的前提下增大量能器横向的几何面积。为满足有效几何因子超出其他同类项目一个数量级以上成为下一代的高能宇宙辐射探测设施，HERD项目创新性的选择了三维成像、五面灵敏的量能器方案，即用立方晶体小块组成三维的晶体阵列。从顶面和侧面入射的高能粒子，都可以通过三维晶体阵列重建出粒子簇射轮廓，并根据每块晶体的能量信息重建入射粒子的能量。这样极大的提高了探测器的有效接收度，在同等条件下取得的观测显著度要比传统载荷高很多。HERD用创新的设计思想，以较小的重量实现了较大的接收度，并兼具优越的粒子鉴别能力、高能量分辨率、极大地扩展了探测能区等突出优势，成...
在伽马射线天文观测实验中，长期以来一直存在所谓的“MeV能量间隙”，约从0.1到100 MeV，其观测灵敏度比其相邻能区相差1-2个数量级。而这一能段正好覆盖放射性同位素的发射线谱，因此存在巨大的天文观测价值和发现潜力。然而针对MeV能段的高精度测量受限于技术发展而停滞不前，伽马射线的高能量和角度分辨率、康普顿散射电子的径迹测量是其中的难点，对抑制背景干扰和提高灵敏度起到非常关键的作用，也是新一代MeV伽马射线望远镜研究的重点。为此，我们基于Micromegas的高气压TPC和像素读出CZT探测器，提出了一个创新性方案的MeV伽马射线望远镜（MeGaT）实验。...
High energy gamma-rays carry the fundamental information of the astrophysical sources in extreme conditions. The space detection of gamma-rays is distinguished by the wide energy range, the observation continuity as well as the high energy resolution. We propose a new space-borne mission-Very Large Area gamma-ray Space Telescope (VLAST), covering a very wide energy range from MeV to TeV. VLAST...
硅微条探测器是一种成熟的半导体探测器，被广泛应用于高能物理实验、核物理研究以及空间辐射探测器。本报告将介绍用于暗物质粒子探测卫星(DAMPE)、高能宇宙辐射探测设施(HERD)和AMS升级(AMS-L0)的硅微条探测器。
MeV能段的伽马射线包含丰富的核天体物理谱线，科学价值十分丰富。受限于技术困难，此能段的观测灵敏度较低，被称为“MeV Gap”。对这一能段的谱线进行成像观测，需要使用康普顿成像技术，要求探测器具有高能量分辨率、高位置分辨率、三维位置灵敏。像素电极碲锌镉（CdZnTe或CZT）探测器能够满足康普顿成像的性能需求，且在室温下工作，是下一代MeV能段康普顿望远镜的理想技术方案之一。我们基于GRID天格计划的研究基础，提出了下一代GRID-MASS核天体物理谱线巡天纳卫星星座，目前已研发了一套立方星康普顿望远镜载荷Pathfinder，命名为GRID-MASSCube，实现X-Y方向1.72 mm（像素间距）和Z方向0.6 mm（FWHM）的位置分辨率，以及662 keV处0.6%（FWHM/E）的能量分辨率。载荷电性件已研制完成，将要进行空间环境测试、标定实验，预计2024年底发射。
对宇宙线能谱的观测是理解宇宙线起源、加速与传播机制的关键。本报告将基于AMS实验最新测量结果，介绍电荷Z=1-14，16，26的宇宙线原子核在2GV-3TV刚度（=动量/电荷）区间内的能谱。研究发现，初级宇宙线氦、碳、氧在60GV以上具有相同的刚度依赖性，且在约200GV处，以相同的方式“硬化”偏离单一幂律谱，属于同一类初级宇宙线。更重的初级宇宙线氖、镁、硅、硫在约90GV以上也具有相同的刚度依赖性，但与氦-碳-氧显著不同，表明宇宙中存在以氦-碳-氧和氖-镁-硅-硫为代表的两类初级宇宙线。意料之外的是，更重的初级宇宙线铁原子核能谱具有与较轻的氦-碳-氧能谱相同的刚度依赖性，而不同于较重的氖-镁-硅能谱。次级宇宙线锂、铍、硼在30GV以上也展示出相同的刚度依赖性，并在约200GV处偏离单一幂律谱“硬化”，且“硬化”程度大于初级宇宙线氦-碳-氧能谱，因此，锂-铍-硼属于同一类次级宇宙线。...
1952年德国科学家H. Wolter提出了三种X射线聚焦的方式，其中Wolter I型使用的最为广泛，从最早的HEAO天文台到Chandra望远镜，使用的是微晶玻璃直接抛光的技术，这种聚焦镜角分辨好，但是重量大。之后由捷克科学家提出通过电铸复制的方法研制Wolter I型X射线聚焦镜，最早提出了环氧复制和镍电铸复制两种方案，通过XMM的研制，证明环氧复制的方案达不到高角分辨的要求，于是采用了镍电铸复制的方案，目前使用镍电铸复制技术研制的聚焦镜的X射线望远镜已超过10台，主要由美国NASA的MSFC和意大利的Media Lario公司提供。镍电铸复制生产Wolter I型X射线聚焦镜包括模具的粗车、化学镀镍磷、超精密车削、超光滑抛光、物理沉积反射膜、电铸镍、脱模获得X射线聚焦镜片，通过精密组装的方法获得高分辨的聚焦镜。高能所从2018年开始进行镍电铸复制Wolter...
近年来CMOS探测器/传感器的性能有了巨大的提升，在爱因斯坦探针卫星（EP）需求牵引下，开始了(国产)科学级X射线CMOS探测器的研制，于2020年成功研制6 cm × 6 cm，4k × 4k像素阵列，读出帧频20Hz的大靶面X射线探测器。经过测试，其暗电流为0.02e/pixel/s@-30°，室温下能量分辨率可达180eV@5.9keV（经过增益修正可提高到140eV），读出噪声3e。已有48片该探测器用于EP卫星，在轨表现了优秀的性能。相比较传统的CCD型探测器，CMOS探测器在读出速度、抗辐照性能、制冷需求、高集成度和成本上有着巨大的优势，在光学、紫外、X射线和宇宙线探测等领域有着巨大的应用前景。
硬X射线和软伽马射线天文学是研究银河系中心区域511 keV正电子湮灭线及其起源、伽马射线暴、软伽马复现源、超新星爆发核谱线等重要天体物理现象的重要领域。然而，该领域长期缺乏有效的聚焦技术来发展出高灵敏度和高角分辨率的仪器来解决若干关键科学问题。在本报告中我们将介绍一种基于劳厄透镜的硬X/γ射线聚焦技术来克服当前直接观测望远镜的技术限制。基于劳厄聚焦技术，可以使未来硬X/γ望远镜的角分辨率达到亚角分级，灵敏度提高10-100倍，推动相关科学研究取得飞跃式发展。本报告将对劳厄聚焦望远镜的设计，实现方案以及我们关于劳厄聚焦技术和相关空间项目的发展规划进行介绍。
X射线暂现源的偏振携带着天体辐射区的几何结构、磁场位形等独特信息，是研究辐射区特性和粒子加速与辐射机制的重要探针，由于暂现源爆发的随机性和瞬变性，使得其X射线偏振观测难度大，是一个至今没有开辟的观测研究领域。本报告以典型的X射线暂现源--伽马射线暴为例，从偏振观测的科学需求出发，介绍LPD/POLAR-2的宽视场伽马暴X射线偏振巡天方案，基于宽视场、大面阵以及高灵敏度探测器的X射线偏振巡天关键技术研究，以及基于立方星平台的X射线偏振探测器单元样机的空间飞行验证。
X射线偏振可以反映天体的磁场、几何、辐射机制等重要信息，是粒子天体物理研究的重要探针。目前对于2~10keV能段的X射线，以气体像素探测器（GPD）和气体时间投影室（TPC）为代表的微结构气体探测器（MPGD）可以提供高灵敏度的偏振测量。这两种偏振探测器都是2D光电子径迹偏振探测器，本报告提出一种基于GridPixes的3D光电子径迹偏振探测器并评估了其技术可行性。该偏振探测器的气体放大器选用集成微网结构(InGrids)，相比气体电子倍增器（GEM），InGrids可制作更小的间距，具有更高的位置分辨，更好的增益一致性，更小的充电效应；利用4D灵敏ASIC实现3D光电子径迹读出，从而实现GPD型和TPC型合二为一，提高了低能端调制因子；死时间由200 μs提高至几十ns，可以匹配更大面积的聚焦镜；以上优化设计可以提高偏振探测灵敏度从而获得更好的成像和偏振探测能力。
宇宙热重子探寻计划（HUBS）是中国主导、国际合作的X射线空间卫星项目，旨在使用高分辨率成像光谱仪直接观测弥散在宇宙大尺度结构中的重子热气体，研究其物理、化学性质，从而解决所谓的“重子缺失”问题，完善星系形成与演化的理论。为实现其关键科学目标，HUBS 将采用基于超导转变边沿传感器（TES）的微量能器技术。微量能器测量每一个入射光子沉积的能量，相比于色散的X射线光栅具有高通量、高效率的优势；而作为微量能器温度计的TES基于超导邻近效应，工作在超导转变区间，相比传统的半导体温度计具有更高的温度灵敏度，可在软X射线波段实现 2 eV（FWHM）甚至更高的能量分辨率，比最好的X射线CCD高出一个量级，因此TES微量能器可以对宇宙重子热气体的弥漫辐射实现高分辨率观测，被选为...
