大视场X射线偏振探测器模拟和光电子径迹重建研究

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伽马暴偏振探测仪(POLAR-2)是中国空间站重要科学项目之一,其主要科学目标是对伽马暴辐射进行高精度的偏振测量,其采用了不同探测器载荷实现低能和高能的偏振探测。探测软X射线波段偏振的载荷是低能偏振探测器(LPD),由广西大学联合国内多家单位共同研发。LPD探测器设计方案中有着90°的大视场和2-30 ke V的宽能段探测两个特点。基于LPD的探测器设计,本文开展相应的探测模拟和光电子径迹重建研究,主要包括以下三个方面:(1)开展大视场X射线偏振探测器的空间环境本底模拟,研究X射线偏振探测器的灵敏度(即最小可探测偏振度)。在大视场方案下,分别对X射线偏振探测的主要本底成分宇宙弥散X射线(CXB)和河内X射线亮源开展模拟观测研究,结果表明,90°视场下的CXB本底计数为0.12counts·s-1·cm-2,对探测器的最小可探测偏振度影响为5.21%;其它X射线亮源的流强在银心处达到81.52 photons·s-1·cm-2,远大于CXB本底,因此探测器在观测的时候需要避开X射线亮源密集的区域。(2)开展宽能段X射线偏振探测器的工作气体模拟,通过选用原子序数较大的气体以延伸探测器的探测能区。分别模拟了氖气和氙气中的光电子径迹长度和探测效率,模拟结果表明,氖气和氙气可以分别实现2-10 ke V和10-30 ke V的偏振探测。同时也在模拟中采用了不同的物理模型以对比模拟结果的一致性,结果均验证了在30 ke V以下的氙气中射出的光电子主要来自于L壳层,并且光电子的出射角分布受入射光子的偏振调制。(3)开展光电子径迹图像的重建研究,从优化径迹重建算法和筛选数据两方面去提高重建调制度。首先,本文采用了两种重建算法以对比重建效果,分别是基于图像矩和图论的传统重建算法和基于卷积神经网络的机器学习重建算法,在氙气的100%偏振模拟数据中分别重建出46.4%和51.5%的调制度。然后,本文研究了图像特征提取算法对实验数据进行特征筛选,在保留74.4%事例数的基础上重建,可令调制度从35.8%提高到40.9%。此外,大视场的斜入射会明显降低重建的调制度,本文详细介绍了补偿调制度的方法。
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