暗物质粒子探测器触发逻辑测试系统的设计和实现?

作为暗物质粒子探测器(DAMPE, Dark Matter Particle Explorer)的一部分,触发系统主要用于判选所需探测的目标粒子(高能电子和伽玛射线)事例,剔除非目标粒子事例。触发系统由触发探测器和触发判选逻辑电路组成。介绍了触发地检测试系统和宇宙线触发系统的设计和功能实现。触发地检系统实现了对触发判选逻辑电路的电子学验证;另外,配合宇宙线触发系统对部分触发逻辑和触发效率进行了测试。主要介绍了触发系统的测试方法和一些初步测试结果。     

一种低噪声硅微条探测器读出电子学系统的设计

硅微条探测器空间分辨率高、工作性能稳定, 广泛地应用于空间高能粒子探测领域. 如费米gamma射线空间望远镜(Fermi Gamma-ray Space Telescope, FGST)以及阿尔法磁谱仪(Alpha Magnetic Spectrometer 2, AMS-02)的径迹探测器中都采用了高位置分辨率的硅微条探测器. 基于硅微条探测器在空间观测领域的应用前景, 针对硅微条探测器单元设计了一套低噪声的电子学读出系统. 整个电子学系统分为前端电子学、数据获取电路和上位机软件. 前端电子学为提高集成度, 采用了一款电荷读出芯片VATAGP8, 实现了多通道、低噪声的电荷信号测量; 数据获取电路使用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)实现了对前端电子学的时序控制以及对测量信号的采集控制; 上位机用来接收、处理数据获取电路采集的信号数据. 在对电子学通道的线性、基线、噪声等性能进行测试之后, 得到系统在0--200fC电荷输入范围内的线性增益约为13.41bin/fC, 积分非线性小于1%, 噪声小于0.093fC. 为了验证电子学读出系统对硅微条探测器单元的读出能力, 将两者集成在一起并测试了宇宙线缪子的能量沉积, 得到读出电子学系统的信噪比大于32, 缪子的电离损失能谱与Landau-Gaussian分布符合较好, 能够满足硅微条探测器单元读出电子学的设计要求.     

暗物质空间探测器BGO量能器的读出设计

暗物质空间探测器是中国科学院紫金山天文台暗物质空间天文实验室提出的,其目的是为了探测暗物质粒子湮灭可能产生的高能电子和伽玛粒子.整个探测器主要由BGO(Bismuth germanate,锗酸铋)高能图像量能器和闪烁体径迹探测器构成.探测器的能量探测范围将覆盖10 GeV到10 TeV的高能电子和伽玛粒子,其中高能粒子的能量主要沉积在BGO量能器中.为了验证探测器方案,紫金山天文台暗物质空间天文实验室设计了暗物质空间探测器BGO量能器的读出系统原型,并对其进行了初步的测试.     

BGO量能器大动态范围读出的线性标定系统的设计和实现

暗物质空间探测器是中国科学院紫金山天文台空间实验室提出的,其目的是为了探测暗物质粒子湮灭可能产生的高能电子和伽玛粒子.BGO量能器是暗物质粒子探测卫星主要载荷之一,高能粒子的能量主要沉积在BGO量能器中.为了使探测器覆盖5 GeV~10T'eV的探测范围,要求每个BGO探测单元具有约1.5×10~5的动态范围.为了对这一大动态范围的探测单元进行测试,提出一种比较简易的线性测试方法,并在实验室构建一个相应的测试系统,对BGO量能器探测单元读出系统的线性进行测试.测试结果表明BGO量能器探测单元读出的非线性度好于2.7%.     

天宫2号POLAR探测器的低能X射线在轨定标

伽马暴偏振探测仪(POLAR)是天宫2号实验室上搭载的一个γ射线偏振仪,于2016年9月15日搭载在天宫2号进入低轨运行,主要用于探测在50-500 keV能区的硬X射线辐射的线偏振.POLAR由25个模块组成,每个模块有64个塑料闪烁体棒,总计有1600个塑料闪烁体棒,具有较大的有效探测面积和视场.在轨运行期间探测到多个小耀斑,它们的硬X射线光子能量通常小于50 keV,无法直接使用在轨和地面的高能定标结果来进行能谱分析.结合拉马第太阳高能光谱成像探测器(RHESSI)对耀斑SOL2016112907能谱的观测和蒙特卡洛模拟,对耀斑期间被激活的闪烁体棒进行能量低于50 keV的低能相对定标.虽然定标得到的能量阈值(～10 keV)和转换因子相对稳定,但是和高能定标给出的结果相比有显著差异,并且不同闪烁体棒显示出的差异没有明显的规律性.     

射频干扰检测的SumThreshold算法

射频干扰(Radio Frequency Interference, RFI)是射电目标搜寻和精确分析研究的关键影响因素,因此RFI检测是相关数据处理中的一个重要环节.已有RFI检测方法可分为成分分解法、阈值分析法、机器学习类方法.从应用广泛性和可解释性方面考虑,阈值分析法最具代表性,特别是SumThreshold是近年备受关注的一个RFI检测方法.从SumThreshold方法的原理、算法设计、优化要点、适用性等方面进行介绍和探讨,以供同行参考.     

Φ1650mm口径反射镜的坦克链支撑研究

Phi 1650mm口径反射镜是某套大口径精密光学元件检测装置中的定标校正模块, 用于对检测光路中的缩焦透镜等光学部件进行定标. 反射镜口径越大, 由于自身重力引起的变形问题越严重, 面型精度受到的影响也越大. 对于Phi 1650mm口径反射镜, 系统要求的技术指标是面型误差的均方根(Root Mean Square, RMS)小于1/70波长(波长为\lk 632.8nm). 针对这块光轴始终处于水平状态的大口径反射镜, 提出了坦克链支撑方案, 并与传统的钢带支撑做对比. 对坦克链支撑方案进行有限元分析, 逐步确定了坦克链节数和中心距, 根据标准选取了型号C2162H的双节距大滚子坦克链. 基于赫兹接触理论, 对坦克链滚子与反射镜的边缘非线性接触进行了模型简化. 经过Zernike多项式拟合后, RMS为2.58nm, 满足设计要求. 坦克链支撑结构简单、成像质量好, 同时降低了反射镜的倾覆风险, 可靠性高.     

ASO-S/HXI太阳指向镜算法研究

硬X射线成像是研究太阳耀斑等爆发现象的重要手段.由于采用调制成像而非直接成像的原因, X射线图像在日面上的位置需要借助太阳指向镜提供的仪器指向的日面坐标来确定.因此,指向信息对于耀斑定位实现多波段研究,理解太阳耀斑的物理过程具有重要的科学意义.在此对两种太阳指向镜指向信息的获取算法进行了测试.结合太阳指向镜的设计方案,首先利用SDO (Solar Dynamics Observatory)/AIA (Atmospheric Imaging Assembly) 4500?的数据产生测试图像,其次对其进行二值化处理,分别提取日面轮廓和4个边角指定区域面积;最后分别利用最小二乘法和四象限法对太阳中心坐标进行反演.初步结果显示最小二乘法受随机噪声影响小,定位精度相对稳定约为0.25′′,并可提供四象限法解算的初值;后者的精度可以优于0.14′′,但受随机噪声影响较大.两种算法的精度都显著优于硬X射线成像仪(Hard X-ray Imager, HXI)太阳指向镜的设计要求,可为指向数据在将来科学分析中的实际应用提供参考.     

嫦娥二号探测器在轨运行视景仿真系统的研究与实现

针对嫦娥二号探测器在轨运行阶段的仿真需求,充分发挥视景仿真的优势,利用嫦娥一号探测器获得的地形和影像数据、日地月嫦娥二号探测器星历数据,基于OSG(OpenScene Graph)设计了针对嫦娥二号任务的在轨运行视景仿真系统。论述了该系统的开发平台,系统总体框架,并对系统的实现进行了详细描述。论述了月球模型数据构建,嫦娥二号探测器构建,星历数据库构建与访问,仿真实体空间位置的实时更新,CCD立体相机探测过程的仿真,视点的控制等实现方法。仿真结果表明系统完全能满足嫦娥二号任务在轨运行仿真的要求,并已应用于嫦娥二号任务执行过程中。     

LAMOST一维光谱提取算法的分析与比较

针对LAMOST (Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope)2维光谱图像数据,对6种抽谱算法进行了分析与比较.比较的算法包括孔径法、轮廓拟合法、直接反卷积方法、基于Tikhonov正则化的反卷积抽谱算法、基于自适应Landweber迭代的反卷积抽谱算法以及基于Richardson-Lucy迭代的反卷积抽谱算法.通过实验对这些算法在信噪比和分辨率两个方面进行了比较,发现基于Tikhonov正则化的反卷积抽谱算法、基于自适应Landweber迭代的反卷积抽谱算法以及基于RichardsonLucy迭代的反卷积抽谱算法是6种算法中最为可靠的3种抽谱算法.最后,对今后的工作进行了展望.     

Development of the Emulsion Chamber Detector for Space Observations

The emulsion chamber detector on board the “ShiJian-8” satellite is the first one in China designed especially for observing in space the highenergy electrons and γ-rays. In this paper, the principle of the detector design, the method of data processing and the preliminary results of observations are introduced. The design lifetime of the detector is 15 days on the orbit, and the energy range of detectable particles is 100GeV∼5TeV.     

The Design and Realization of the Payload Integrated Test System for DAMPEtwo

The Dark Matter Particle Explorer (DAMPE) is a space-borne high-energy cosmic ray detector. The payload consists of five subsystems, including the Plastic Scintillator Detector (PSD), the Silicon-Tungsten tracKer converter detector (STK), the BGO (Bismuth Germanate) calorimeter, the NeUtron Detector (NUD), and the Data AcQuisition system (DAQ). The five subsystems work collaboratively to collect the information of cosmic rays. In order to systematically verify the performance of the payload before launching, we have developed a set of integrated test system for the ground tests of the payload based on the LabWindows/CVI (C programming language Virtual Instrument) platform. This system has realized the integrity and automation of the comprehensive ground tests of the payload, improved the security, reliability, and efficiency of the ground tests, and provided a guarantee for the successful delivery of the payload.     

Design of the Prototype Readout System of BGO Calorimeter in the Space Dark Matter Detector of Purple Mountain Observatory

A space dark matter detector is proposed by the Key Laboratory of Dark Matter And Space Astronomy of Chinese Academy of Sciences for detecting the high-energy electrons and Gamma particles produced by the annihilation of dark matter in space. The whole detector is mainly composed of the BGO (bismuth germanium oxide) high-energy image calorimeter and scintillation hodoscope. The energy range of the detector will cover the high-energy electrons and Gamma particles of 10 Gev∼10 TeV, in which the energies of high-energy particles are mainly deposited in the BGO calorimeter. For verifying the scheme of the detector, we have designed a prototype readout system for the BGO calorimeter of the space dark matter detector, and made a preliminary test on it.     

FAst STatistics for weak Lensing (FASTLens): fast method for weak lensing statistics and map making

With increasingly large data sets, weak lensing measurements are able to measure cosmological parameters with ever-greater precision. However, this increased accuracy also places greater demands on the statistical tools used to extract the available information. To date, the majority of lensing analyses use the two-point statistics of the cosmic shear field. These can be either studied directly using the two-point correlation function or in Fourier space, using the power spectrum. But analysing weak lensing data inevitably involves the masking out of regions, for example to remove bright stars from the field. Masking out the stars is common practice but the gaps in the data need proper handling. In this paper, we show how an inpainting technique allows us to properly fill in these gaps with only   N log  N   operations, leading to a new image from which we can compute straightforwardly and with a very good accuracy both the power spectrum and the bispectrum. We then propose a new method to compute the bispectrum with a polar fft algorithm, which has the main advantage of avoiding any interpolation in the Fourier domain. Finally, we propose a new method for dark matter mass map reconstruction from shear observations, which integrates this new inpainting concept. A range of examples based on 3D N -body simulations illustrates the results.     

Calibration of the DAMPE Plastic Scintillator Detector and its on-orbit performance

The DArk Matter Particle Explorer(DAMPE) is a space-borne apparatus for detecting the highenergy cosmic-ray-like electrons, γ-rays, protons and heavy ions. The Plastic Scintillator Detector(PSD)is the top-most sub-detector of the DAMPE. The PSD is designed to measure the charge of incident highenergy particles and it also serves as a veto detector for discriminating γ-rays from charged particles. In this paper, a PSD on-orbit calibration procedure is described, which includes the five steps of pedestal, dynode correlation, response to minimum-ionizing particles, light attenuation function and energy reconstruction.A method for reconstructing the charge of incident high energy cosmic-ray particles is introduced. The detection efficiency of each PSD strip is verified to be above 99.5%; the total efficiency of the PSD for charged particles is above 99.99%.     

脉冲星数据比对分析和可视化系统设计与实现

脉冲星数据比对分析和可视化系统(PSRDB,URL:http://www.psrdb.net/),由FAST(Five-hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope)早期科学数据中心团队为快速开展脉冲星候选体比对分析和数据管理研发.通过前端数据提交页面,接收和维护来自FAST及其他研究机构的候选体数据.目前,PSRDB已收录自1967年人类发现第1颗脉冲星以来所有公开文献发表的2811颗脉冲星样本,并采集了当前主要巡天项目尚未正式发表的源和候选体,如FAST多科学目标同时扫描巡天(CRAFTS)候选体数据.基于入库基础数据,利用位置、周期、色散等参数进行比对分析,辅助科研工作者在线检索匹配已知星表数据,最后将检索匹配、比对分析结果生成图表供进一步分析.目前,PSRDB已被应用于FAST脉冲星搜寻和候选体数据管理.未来,PSRDB可在新源认证、后随观测、观测计划制定和原始数据处理流程设计等方面提供数据和工具支撑.