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甚大面积伽马射线空间望远镜原型样机顺利进行系列束流试验

面向“暗物质间接探测”和“伽马射线时域天文”两大国际竞争激烈的领域,中国科学院紫金山天文台牵头联合中国科学技术大学、中国科学院近代物理研究所、中国科学院国家天文台、临沂大学等单位(以下简称“VLAST合作组”)提出了甚大面积伽马射线空间望远镜(Very Large Area gamma-ray Space Telescope,VLAST)计划。VLAST是下一代旗舰型空间伽马射线望远镜,致力于引领下一个十年基于GeV伽马射线的暗物质间接探测及时域天文研究。

VLAST合作组开展了甚大面积伽马射线空间望远镜VLAST的关键技术攻关和原型样机研制(图1),并于2023-2024年分别由紫金山天文台郭建华研究员、李翔副研究员带队前往欧洲核子中心对其进行了高能电子、质子、核素和伽马光子等系列束流试验,完成对探测器的性能验证。

VLAST合作组针对探测需求,聚焦粒子鉴别、径迹探测、能量测量等三类关键技术,突破了高效反符合探测器和超大动态范围能量精确测量技术,实现了高信噪比的单面硅微条探测器的自主研制。 实验室测试结果表明:研制的反符合探测器,采用波长位移光纤实现低噪声的均匀读出,对单电荷最小电离粒子(MIPs)探测效率达到了99.93%以上;实现了单面硅微条径迹探测器的自主研发,位置分辨优于40μm;研制高颗粒度大动态范围的量能器,探测单元实现了200万倍大动态范围的能量精确测量。探测器的探测效率、位置分辨、动态范围等指标均优于设计指标。

基于前期的关键技术攻关,VLAST合作组完成了第一版原型样机研制,并于2023年9月-10月,2024年5月-6月,累计完成了5周的探测器束流试验(图2)。束流试验分别在欧洲核子中心(CERN)的Proton Synchrotron (PS)束流区和Super Proton Synchrotron (SPS)束流区进行(图3),完成了0.5-200 GeV的电子、150 GeV/核子的核素和0.5-4GeV的伽马光子的试验。试验共获得逾3千万事例,利用多种不同种类、能量的粒子对探测器进行了系统性测试(图4)。

通过这一系列束流试验,合作组对VLAST相关关键技术进行了初步验证。束流试验的结果进一步表明,探测器的一系列自主掌握新技术研发达到了预期,为VLAST计划的推进奠定了重要的技术基础。

该项目得到国家自然科学基金委创新研究群体项目、国家自然科学基金委国家重大科研仪器研制项目(自由申请),以及中国科学院科研仪器设备研制关键技术团队项目、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划等项目的支持。

图1 VLAST原型样机的部分探测器

图2 束流试验队部分成员合影

图3 左:2023年在SPS束流区的重荷核素束流试验现场;右:2024年PS束流区的伽马光子束流试验现场

图4 左上:VLAST原型样机对电荷的初步测量结果;右上:VLAST原型样机对电子能量的初步测量结果;左下:VLAST原型样机的击中位置分辨能力初步结果;右下:伽马光子束流试验中对磁铁的初步刻度结果。

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