EPSI R&D：面向空间应用的创新性正负电子鉴别技术开发

《Particles》：The EPSI R&D: Development of an Innovative Electron–Positron Discrimination Technique for Space Applications

本文综述了EPSI（Electron/Positron Space Instrument）项目，这是一项旨在开发一种新型电荷符号（Charge-Sign）鉴别技术的R&D计划。该技术利用带电粒子在地磁场中运动时产生的同步辐射（Synchrotron Radiation）X射线，通过结合电磁量能器（ECAL）和同步辐射探测器（SRD）的联合探测，实现对高能电子（e-）和正电子（e+）的事件级（Event-by-Event）区分。文章详细阐述了探测原理、空间仪器概念设计、探测器单元（Detection Cell）的实验室表征结果，并讨论了未来工作路线图。该技术有望突破传统磁谱仪在TeV能区的技术瓶颈，为宇宙线（Cosmic Rays）中反物质成分的精确测量提供关键工具，进而深化对暗物质（Dark Matter）和宇宙线起源的理解。

　　

1. 引言

宇宙线中反物质成分的直接测量对于理解其加速和传播机制至关重要，也是间接搜寻暗物质的有力工具。目前，电荷符号的鉴别主要依赖磁谱仪，但在高能区（TeV）面临分辨率差、几何接受度小等技术瓶颈。大多数当前和未来的高能空间实验都采用大型量能器，因此亟需开发一种可与之集成的替代性电荷符号鉴别技术。

EPSI（Electron/Positron Space Instrument）项目于2023年启动，旨在应对这一挑战。其核心思想是利用带电粒子在地磁场中运动时产生的同步辐射（Synchrotron Radiation）X射线。通过同时探测进入电磁量能器（ECAL）的电子/正电子及其产生的同步辐射光子，即可在事件级别上区分这两种粒子。

2. 探测原理

EPSI的基本原理是同时探测高能电子/正电子及其在地磁场中运动时发射的同步辐射X射线光子。在相对论性条件下，粒子的磁偏转角极小，同步辐射光子在其瞬时轨迹的切向窄锥内发射。

通过重建粒子和其关联的同步辐射光子的撞击点，即可确定粒子的电荷符号。同步辐射光子总是撞击在垂直于粒子弯曲平面的探测平面上，且撞击点相对于粒子的位置取决于其电荷符号。该技术的关键在于开发一种具有大面积、高X射线探测效率、低能探测阈值的X射线探测器，并满足空间应用要求。

3. 同步辐射

为了估算相关物理量，考虑一个简化的模型：一个能量为1 TeV的电子在强度为0.4 G的均匀地磁场中运动。在此假设下，螺旋轨迹简化为圆形。

同步辐射光子的特征能量是临界能量（Critical Energy），对于1 TeV的电子，临界能量约为27 keV。临界能量将同步辐射功率谱分为两个功率相等的部分，但大多数光子的能量远低于临界能量。

为了减少天体物理背景的偶然符合，需要探测至少两个与电子弯曲平面对齐的同步辐射光子。然而，在软X射线区域到达探测器的同步辐射光子数量很少，因此该技术要求仪器在5–100 keV区间具有至少80%的探测效率。

4. 空间仪器概念

一个基于EPSI思想的仪器可能实现方案是结合一个高接受度的电磁量能器（ECAL）和两个大面积的同步辐射探测器（SRD）层。该设计的主要特点是能够同样好地重建从相反方向撞击ECAL两个大面的电子。

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  电磁量能器（ECAL）：用于重建入射电子的能量和轨迹，抑制宇宙质子背景并产生仪器的主触发。设计上可采用CsI:Tl立方晶体，深度为25 cm（13.44 X₀），质量约2吨，面积约1.33 m × 1.33 m。
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  同步辐射探测器（SRD）：用于探测入射粒子发射的同步辐射光子，以实现电子/正电子鉴别。每个SRD层与ECAL在y轴方向尺寸相同，但在x轴方向更大（如4 m × 1.33 m），以增强对位于电子弯曲平面上的同步辐射光子的探测。单个探测单元需满足高探测效率（5–100 keV区间>80%）、低能覆盖（理想下至1 keV）、精细空间分割（约1 cm × 1 cm）、快速时间信号（微秒或纳秒级）以及大面积可扩展性等要求。

4.3 电荷符号重建的背景

电荷符号鉴别依赖于同时探测与电子弯曲平面对齐的同步辐射光子，任何能模拟SRD单元上光子撞击的信号都会构成背景。主要背景源包括：

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  天体物理X射线：太阳是主要贡献者，因此仪器不能在暴露于太阳时工作。此外，宇宙X射线背景、亮银河源、银河脊弥散发射和地球γ射线反照率也构成背景。初步估计表明，通过利用信号X射线位于电子弯曲平面这一特性，可以轻松抑制这些背景。
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  带电宇宙线：低能宇宙线会在SRD中产生伪撞击。但由于宇宙线沉积的能量远大于同步辐射光子的信号，通过优化动态范围，宇宙线将始终使读出电子学饱和，从而易于识别。
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  量能器后向散射：电磁簇射中的后向散射粒子（主要是MeV以下的γ光子）可能在SRD中产生伪撞击。目前对此背景的了解有限，需要通过完整的模拟来量化其影响。

4.4 电子识别的背景

在基于量能器的空间实验中，测量电子成分的主要挑战是来自更丰富的质子群的污染。EPSI方法的一个天然优势是能够有效区分质子和电子。对于电荷为Z、质量为M的原子核，其同步辐射光子产额和临界能量与电子相比可以忽略不计。因此，关联同步辐射光子的存在与否足以进行电子/质子鉴别。

4.5 仪器轨道

仪器轨道的选择对EPSI方案至关重要，主要受地磁场和太阳X射线背景两个因素的影响。

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  地磁场：电荷符号鉴别在有效几何因子最大化的轨道上得到增强，这要求SRD的长边垂直于地磁场。这需要卫星轨道和姿态的连续控制。
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  太阳X射线背景：太阳X射线是主要背景，仪器不能在直接暴露于太阳时工作。一种可能的解决方案是让有效载荷侧向太阳运行，或使用被动屏蔽层保护SRD。
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  其他因素：传感器的辐射损伤和微流星体的影响也需要考虑。初步估计表明，微流星体的撞击率足够低，不会影响SRD性能。

5. 探测单元设计

单个探测单元的基础方案由薄闪烁体晶体、硅光电倍增管（SiPM）、反射层和薄X射线入射窗组成。

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  闪烁体：CsI:Tl是一种候选材料，光产额高（约54 ph/keV），但衰减常数较长（>700 ns）。GAGG:Ce是另一种候选材料，光产额更高（约60 ph/keV），衰减常数更短（约150 ns），但成本较高。
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  SiPM：选用Hamamatsu MPPC S13360-6075PE，其有源面积为6 × 6 mm²，填充因子为82%，暗计数率（DCR）约2 MHz，光子探测效率（PDE）在两种闪烁体发射峰处约40%。
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  入射窗：选择入射窗材料具有挑战性。增强镜面反射器（ESR）能最大化光收集效率，但厚度较大，会吸收低能X射线。薄铝沉积和镀铝聚酯薄膜（Aluminized Mylar）是正在研究的替代方案。
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  尺寸优化：探测单元面积选为2 cm × 2 cm。通过光学光线追踪模拟，发现晶体厚度为3 mm时能最大化光收集，作为自吸收损失和透射损失之间的折衷。

6. 实验室表征

本节报告了SRD单个单元当前版本的性能主要结果，目标是量化X射线探测效率。

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  实验装置：原型由尺寸为2 cm × 2 cm × 2.5 mm的CsI:Tl晶体、S13360-6075PE MPPC和ESR包裹组成。信号经放大和数字化后采集。
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  探测器校准：利用暗计数事件进行校准，将ADC值转换为微单元开启数（m.c.o.）。通过拟合暗计数分布，估计了串扰概率约为55%。
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  原型结果：使用¹⁵²Eu、¹³³Ba和¹³⁷Cs放射源测试了原型探测器。探测器响应在感兴趣的能量范围内可近似为线性，比例因子约为15 m.c.o./keV。光收集效率约为53%。能量分辨率在低能区受电子噪声主导，在高能区受非比例性和非均匀性限制。光电效率（Photoelectric Efficiency）在5 keV以上大于80%，在约30 keV处达到最大值约100%。因此，原型在5 keV以上满足基本要求。

7. 正在进行和未来的工作

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  材料研究：正在完成GAGG:Ce的表征，并将其性能与CsI:Tl进行比较。
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  低能阈值扩展：为了将电荷符号鉴别扩展到约100 GeV的电子，需要将X射线探测阈值进一步降低至1 keV。这需要优化入射窗和信号分辨率。
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  信号分辨率优化：通过降低SiPM的工作温度来减少暗计数贡献，从而改善信号分辨率。
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  束流测试：将在LABEC设施进行束流测试，利用准单色X射线精确测量探测器在低能区的性能。
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  原型建造：将建造一个包含约20个单元的小型原型，并开发专用的机械支撑结构和读出系统。
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  模拟研究：将开发空间仪器的详细模拟，量化其预期性能，并研究最优的有效载荷轨道。

8. 结论

EPSI项目是一项为期两年的R&D计划，旨在开发一种新型电荷符号鉴别技术。该技术利用同步辐射X射线，通过结合ECAL和SRD的联合探测，实现对高能电子和正电子的事件级区分。实验室结果与要求吻合良好，在几keV以上探测效率超过80%。初步测试表明，在将能量范围扩展至1 keV方面仍有改进空间。空间仪器的详细模拟正在进行中，以验证预期性能并量化背景影响。