下一代康普顿望远镜的量能器探测单元研究

MeV能区的γ射线天文研究远落后于其它能区,导致该能区的天文物理信息至今还没被充分挖掘,因此,研制下一代高灵敏度的康普顿望远镜对于开展MeV能区的γ射线天文研究具有重要的科学意义。量能器作为康普顿望远镜的重要组成部分,应具有高能量分辨率和高位置分辨率,为此,设计了一种双端读出的γ射线探测器作为量能器的基本探测单元,并对其进行细致的研究。结果表明:通过双端读出信号幅值,可以确定γ射线的总能量以及在晶体中的相互作用位置,采用硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,SiPM)匹配铊激活碘化铯(CsI(Tl))晶体时,探测单元获得比采用光电二极管(Photodiode,PD)和雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode,APD)都更好的性能,对662 keVγ射线的能量分辨率可达5.9%(Full Width at Half Maxima,FWHM),位置分辨率约为5.7 mm(FWHM)。该探测单元能够很好地满足下一代康普顿望远镜对量能器的性能要求。

致密天体辐射特征与物理性质

致密天体作为恒星演化的最终产物,是探索极强引力、高密度、强磁场物理环境的宇宙实验室.受限于观测手段和致密天体独特的性质,截至目前,只有极少部分致密天体被发现,因此其物理性质和演化依然成谜.致密天体的观测和研究需要借助它与其他天体的相互作用来进行.基于武汉大学近几年的研究成果,本文从X射线双星、球状星团、超大质量黑洞3个方面对中子星和黑洞研究进行了总结.首先,对双星中黑洞和中子星的吸积特征进行了介绍,重点是回旋吸收线方面的研究.然后,介绍了小波分析方法在双星领域的首次应用.该方法所提供的更加精确的时频域信息能够对准周期振荡信号进行更加详细的分析.另外,致密天体与球状星团也有着密不可分的关系.致密的星团环境一方面为黑洞捕获其他天体形成X射线双星、引力波源乃至中等质量黑洞等天体提供了绝佳的场所,另一方面也为研究黑洞在球状星团中的动力学演化过程带来许多观测可能.最后,通过展示潮汐撕裂恒星事件和银心附近气泡等现象的相关研究成果,对超大质量黑洞的性质和特征进行了分析,为了解其吸积过程、活动机制、周边云团环境等提供了帮助.

恒星级黑洞的搜寻与研究进展

迄今为止,银河系内发现的约20颗恒星级黑洞都是通过黑洞吸积伴星物质所发出的X射线来识别.若黑洞的X射线辐射低于望远镜探测极限,人们仍可以通过监测伴星的视向运动来发现黑洞.我们利用LAMOST望远镜对银河系的一颗B型恒星进行速度测量,发现它在围绕一颗不可见天体——大质量恒星级黑洞做周期性运动.这是国际上利用视向速度监测发现黑洞的一次成功实践.尽管引力波探测实验已经发现相似质量的恒星级黑洞,但在富金属环境中形成如此大质量的黑洞对目前的恒星演化理论形成了巨大的挑战.本文介绍了恒星级黑洞的几种探测方法,并对近些年国内外搜寻黑洞所做的努力进行了回顾,最后对未来利用视向速度监测方法和天体测量方法寻找黑洞进行了展望.

基于SiPM双端读出的γ射线探测器研究

研究高灵敏度的新型康普顿望远镜对于中能区空间γ射线探测具有重要的科学意义。量能器作为康普顿望远镜的重要组成部分,应具有优异的能量分辨率和位置分辨率。为此,设计了一种基于硅光电倍增管(SiPM)双端读出的CsI(Tl)γ射线探测器作为康普顿望远镜量能器的基本探测单元。同时,对于使用不同包装材料(Teflon、Tyvek和ESR)和不同晶体尺寸(5mm×5mm×60mm、5mm×5mm×80mm和5mm×5mm×100mm)的探测器进行了研究测试。测试结果表明,这三种包装材料对能量分辨率的影响不明显,但对光衰减长度和位置分辨率有较大影响,且二者表现出明显的相关性,即光衰减长度越短,探测器的位置分辨率越好;对于使用不同晶体尺寸的三种探测器,其性能并没有表现出显著的差异。经综合考虑,选用ESR包装的5mm×5mm×80mm的CsI(Tl)晶体探测器,可以满足新型康普顿望远镜对量能器的性能要求,其能量分辨率可达5.2%,位置分辨率约为5.2mm。