粒子天体物理实验方法导论

课程编码：070200M02018H 英文名称：Introduction to Method of Astroparticle Physics Experiments 课时：50 学分：3.00 课程属性：一级学科普及课 主讲教师：宋黎明等

1、本课程的粒子天体物理实验限于空间探测实验；
2、结合粒子天体物理实验的科学目标、探测系统、空间环境、探测过程、数据预处理和数据分析等过程，通过理论和实际结合的方式介绍空间探测实验相关的基础、流程和进展，拓展同学的知识面；
3、介绍粒子天体物理实验的整体流程，侧重于实验过程、方法、原理的描述，使同学深入理解实验的物理设计、系统构成、探测过程、标定过程、数据预处理、数据分析等方面的基本知识和核心内容，掌握必要的技能。

本课程的目标是提高同学对实验探测、数据分析和理论研究的融合能力，为课程学习阶段和参与实验工作提供衔接。

高能天体物理、原子核物理实验方法、现代核电子学

第一章 粒子天体物理概述 6学时
第1节 粒子天体物理简介（3学时）
1.1.1粒子天体物理学科诞生背景；1.1.2天体物理中的辐射机制；1.1.3天体辐射机制与探测；1.1.4粒子天体物理实验的发展；1.1.5粒子天体物理实验的特点；1.1.6我国的粒子天体物理探测
第2节 粒子天体空间探测基础及过程（3学时）
1.2.1空间探测的优势和局限; 1.2.2时间系统；1.2.3坐标系；1.2.4空间实验探测过程; 1.2.5信号识别与背景抑制；1.2.6探测器响应与探测数据; 1.2.7探测数据预处理
第二章 探测器与卫星运行环境 6学时
第1节 空间常用探测器
2.1.1射线探测的物理基础；2.1.2探测器的本征性质；2.1.3探测器的类型、特点及部分典型探测器简介
第2节 空间辐射环境
2.2.1太阳及行星际环境；2.2.2地球空间环境；2.2.3空间粒子辐射环境
第3节 空间辐射环境效应及试验方法
2.3.1单粒子效应；2.3.2总剂量效应；2.3.3位移损伤效应；2.3.4紫外退化效应
第4节 其它空间环境效应
2.4.1空间充放电效应；2.4.2中性大气环境效应；2.4.3真空环境效应；2.4.4微重力效应；2.4.5微流星体及空间碎片环境效应
第5节 环境模拟试验
2.5.1力学环境试验；2.5.2热环境试验；2.5.3磁设计与试验
第三章 空间探测过程及模拟计算 3学时
第1节 空间探测过程
3.1.1探测灵敏度；3.1.2空间背景信号来源；3.1.3背景信号模拟计算方法
第2节 模拟计算软件与方法
3.2.1 GEANT4及ROOT简介；3.2.2软件安装；3.2.3粒子模拟计算方法 （遮光膜X射线透过率的模拟计算 ）；3.2.4探测器能量响应谱的模拟及分析（如何使用Geant4、ROOT）；3.2.5光学模拟计算方法（定义介质的光学特性）；3.2.6给体积添加磁场（全局、部分体积）；3.2.7感生放射性模拟计算。
第四章 偏振探测及数据处理方法 6学时
第1节 X射线的光学特性；
第2节 天体偏振X射线的产生机制及探测方法；
第3节 eXTP卫星偏振聚焦望远镜阵列PFA（基于光电效应）；
第4节 PFA径迹处理的重心法和深度学习法；
第5节 伽马暴偏振探测仪POLAR （基于康普顿散射）；
第6节 高能伽马偏振探测（基于电子对效应）；
第7节 宇宙微波背景辐射的偏振探测 （原初引力波探测）
第五章 X射线聚焦光学 6学时
第1节 像差与像质评价
5.1.1几何像差；5.1.2波像差；5.1.3像质评价
第2节 X射线聚焦原理及光学设计
5.2.1 X射线聚焦镜构型；5.2.2 Wolter-I型聚焦镜；5.2.3 性能指标与误差分解；
第3节 X射线聚焦镜制造技术简介
5.3.1超光滑表面；5.3.2 精密镀膜；5.3.3 精密装配与集成
第4节 X射线光学部件和设备性能表征方法
5.4.1 表面光洁度；5.4.2 面形精度；5.4.3 角分辨；5.4.4 有效面积；5.4.5 角度响应
第5节 射线聚焦光学的新技术与发展趋势
5.5.1 X射线聚焦原理及光学设计
1）1 Wolter-I型聚焦镜；2） 性能指标与误差分解；3） X射线光线追迹
5.5.2 X射线聚焦镜制造技术简介
1）超光滑表面；2）精密镀膜；3）精密装配与集成
5.5.3 X射线光学部件和设备性能表征方法
1）表面光洁度；2）面形精度；3）角分辨；4）有效面积；5）角度响应
第六章 探测器信号读出与数据获取 6学时
第1节 前端电子学常用单元电路（1.5学时）
6.1.1前置放大器；6.1.2信号成形与放大；6.1.3甄别器；6.1.4取样/峰值保持电路；6.1.5模-数、数-模转换；6.1.6其他
第2节 后端电子学常用单元电路（1.5学时）
6.2.1组合逻辑；6.2.2时序逻辑；6.2.3 FPGA；6.2.4单片机与数字信号处理器；6.2.5接口电路；6.2.6系统总线；6.2.7低压、高压供电
第3节 数据获取系统设计（2学时）
6.3.1系统设计原则与方法；6.3.2信号与噪声；6.3.3能谱测量；6.3.4时间测量；6.3.5符合测量；6.3.6触发判选（粒子鉴别、反符合等）；6.3.7空间方向测量；6.3.8 CCD读出；6.3.9微量能器信号读出；6.3.10数字化趋势；6.3.11专用集成电路
第4节 电磁兼容设计（1学时）
6.4.1电磁兼容设计基础；6.4.2）电磁兼容设计原则；6.4.3）屏蔽设计；6.4.4）电源滤波；6.4.5接地技术；6.4.6电磁兼容性测试；6.4.7信号完整性
第七章 卫星系统工程简介 3学时
第1节 可靠性设计（1学时）
7.1.1概述；7.1.2 FMEA；7.1.3热设计；7.1.4降额设计；7.1.5静电问题；7.1.6空间辐射环境防护；7.1.7可靠性试验
第2节 卫星工程系统（1学时）
7.2.1卫星工程系统构成；7.2.2卫星系统；7.2.3发射场系统；7.2.4测控系统；7.1.5地面支撑系统；7.1.6科学应用系统
第3节 系统工程方法（1学时）
7.3.1系统工程的基本概念；7.3.2任务分解与总体方案设计；7.3.3航天项目研制阶段与技术流程；7.3.4）系统集成与综合测试；7.3.5软件工程；7.3.6航天产品质量保证
第八章 地面及在轨标定 3学时
第1节 标定过程分析
8.1.1探测响应与标定；8.1.2 性能测试与标定实验；8.1.3标定工作界面
第2节 地面标定
8.2.1 地面标定内容；8.2.2 地面标定系统构成；8.2.3 地面标定流程；8.2.4地面标定举例
第3节 在轨标定
8.3.1 在轨标定分析；8.3.2在轨能量标定；8.3.3在轨空间标定； 8.3.4在轨时间标定，8.3.5在轨标定举例；8.3.6标定数据库
第九章 数据处理与物理分析 9学时
第1节 数据产品与数据分析基础（3学时）
9.1.1数据格式-FITS与读写；9.1.2数据产品设计与分类；9.1.3数理统计基础
第2节 能谱分析（1学时）
9.2.1响应信息与标定数据库；9.2.2物理分析模型；9.2.3需要考虑的其他因素
第3节 时变分析（1学时）
9.3.1时变分析常用方法；9.3.2太阳系质心修正与周期信号搜索；9.3.3 X射线双星数据分析
第4节 成像分析（1学时）
9.4.1成像观测原理；9.4.2常用成像算法；9.4.3本底估计与直接解调成像方法
第5节 分析结果与误差（0.5学时）
9.5.1分析结果置信度；9.5.2误差的含义与估计
第6节 数据分析实例分析（2.5学时）
慧眼卫星高能、中能、低能探测器数据分析实例

宋黎明，1983年毕业于山东大学，1988－1991年在大连理工大学物理系攻读硕士学位，1991－1994年在南京大学天文系攻读博士学位，1994－1996年在中国科学院高能物理研究所从事博士后研究。1998－1999年在日本理化学研究所进行访问和合作研究。现为高能所研究员。研究方向：高能天体物理。在gamma射线脉冲星的研究中，分析了高能光子在脉冲星磁层中的级联过程与脉冲星gamma射线辐射能谱之间的关系，由此预言了一些新的gamma射线脉冲星并陆续被观测证实。系统研究了直接解调成像方法在不同类型探测器观测数据的应用，发展了在LUCY迭代中背景控制的一种方法，并与吴枚研究员合作证明了这种方法的收敛性，为这种方法的应用打下了坚实的基础。对非正常X射线脉冲星（AXP）的研究中，发现超新星遗迹RX J1838.4-0301中存在AXP的证据，通过同ROSAT卫星数据的对比，对其进行了深入研究。发现X射线双星的光变曲线变化的均方根与流量的关系和双星系统中的动力学过程有关，和双星系统的吸积率也有关系，为研究X射线双星的物理过程提供了新的物理信息。 目前正在从事X射线双星、gamma射线暴、活动星系核等天体高能辐射性质的研究，共发表研究论文40多篇。 主持多项国家自然科学基金项目，目前担任国家规划空间项目“空间硬X射线调制望远镜（HXMT）”地面科学应用系统负责人。

徐玉朋，1993年毕业于吉林大学物理系物理学专业，1993-2002年在中国科学院高能物理研究所宇宙线室工作，先后任研究实习员、助理研究员，并在职申请获得硕士学位，2002-2005在瑞士联邦苏黎世理工学院（ETH Zürich）和欧洲粒子物理研究中心（CERN）获ETH博士学位，2006年至今在中国科学院高能物理研究所粒子天体物理研究中心历任副研究员、研究员。研究方向：高能天体物理实验、核电子学与核探测技术