粒子天体物理实验方法导论  070200M02018H

学期:2020—2021学年(春)第二学期 | 课程属性:一级学科普及课 | 任课教师:宋黎明,徐玉朋,何会林
授课时间: 星期一,第5、6、7 节
授课地点: 教一楼322
授课周次: 11、12、13、14、15、16、17、18、19
授课时间: 星期三,第5、6、7 节
授课地点: 教一楼322
授课周次: 11、12、13、14、15、16、17、18、19
课程编号: 070200M02018H 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,徐玉朋,何会林 助教:
英文名称: Introduction to Method of Astroparticle Physics Experiments 召集人:

教学目的、要求

1、本课程的粒子天体物理实验仅限于空间探测实验;
2、结合粒子天体物理实验的科学目标、探测系统、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和进展、实施阶段和流程,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大家对实验探测、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。

预修课程

高能天体物理、原子核物理实验方法、现代核电子学

教 材

教师上课课件。

主要内容

教学计划安排:
第一章:粒子天体物理概述(6 学时)讲授老师:宋黎明
第二章:空间粒子探测器(15学时)讲授老师:何会林
第三章:X射线光学(3学时)讲授老师:徐玉朋
第四章:空间电子学、数据获取系统集成(12学时)讲授老师:徐玉朋
第五章:地面及在轨标定(3学时)讲授老师:宋黎明
第六章:数据处理与物理分析(9学时)讲授老师:宋黎明
答疑与考试:考试(2学时)

第一章	粒子天体物理概述(宋黎明,6学时)
1)粒子天体物理简介(3学时)
1.1粒子天体物理学科诞生背景; 1.2天体物理中的辐射机制;1.3天体辐射机制与现象;1.4粒子天体物理实验的发展;1.5粒子天体物理实验的特点;1.6我国的粒子天体物理探测
2)粒子天体空间探测基础及过程(3学时)
2.1空间探测的优势和局限; 2.2时间系统;2.3天球坐标系;2.4近地空间环境;2.4空间实验探测过程; 2.5信号识别与背景抑制;2.6探测器响应与探测数据; 2.7探测数据预处理

第二章	空间粒子探测器(何会林,15学时)
1)探测器物理基础(3学时)
1.1 带电粒子与物质相互作用的一般特性;1.2 重带电粒子与物质的相互作用;1.3 快电子与物质的相互作用;1.4 γ射线与物质的相互作用;1.5 中子与物质的相互作用;1.6 X射线偏振。
2)蒙特卡罗模拟计算(Geant4)及数据分析工具(ROOT)简介(3学时)
2.1为什么需要模拟计算;2.2常用模拟计算软件;2.3计算机环境;2.4Geant4和ROOT软件安装;2.5 Geant4和ROOT一般使用方法;2.6空间应用举例(背景模拟,能量响应矩阵)。
3)气体探测器(2学时)
3.1 气体中离子与电子的运动规律;3.2 电离室;3.3 正比计数器(丝室、多丝室、漂移室、GEM探测器);3.4 G-M计数器;3.5 气体探测器在空间探测中的应用。
4)闪烁探测器(3学时)
4.1 闪烁探测器的基本原理;4.2 闪烁体;4.3 光的传输与收集;4.4 光电倍增管及其它光敏器件;4.5 高压供电和分压器;4.6 闪烁探测器的输出电路;4.7 闪烁探测器的主要性能指标;4.8 闪烁探测器在空间探测中的应用。
5)半导体探测器(3学时)
5.1 半导体的基本性质;5.2 基本半导体结构;5.3 P-N结型半导体探测器;5.4 位置灵敏半导体探测器;5.5 半导体探测器在空间探测中的应用。
6)探测器的力热设计及环模试验简介(1学时)
6.1 航天器(探测器)环境;6.2航天器(探测器)环境模拟试验;6.3力学设计及模拟试验;6.4 热学设计及模拟试验。

第三章	X射线光学(徐玉朋,3学时)
1)	X射线聚焦原理及光学设计
1.1 Wolter-I型聚焦镜;1.2 性能指标与误差分解;1.3 X射线光线追迹
2)	X射线聚焦镜制造技术简介
2.1 超光滑表面;2.2 精密镀膜;2.3;精密装配与集成
3)	X射线光学部件和设备性能表征方法
3.1 表面光洁度;3.2 面形精度;3.3 角分辨;3.3 有效面积;3.4角度响应

第四章	空间电子学、数据获取系统集成(徐玉朋,15学时)
1)电子学基础(1.5学时)
1.1 空间电子学特点;1.2 电子学基础(元器件与模拟电路);
2)前端电子学常用单元电路(1.5学时)
2.1 前置放大器;2.2 信号成形与放大;2.3 甄别器;2.4 峰值/取样保持电路;2.5 模-数、数-模转换;2.6 其它常用单元电路
3)后端电子学常用单元电路(2学时)
3.1 组合逻辑;3.2 时序逻辑;3.3 FPGA;3.4 单片机与数字信号处理器;3.5 接口电路;
3.6系统总线;3.7低压、高压供电
4)专用集成电路(1学时)
4.1 概述;4.2 模拟ASIC;4.3 逻辑ASIC
5)数据获取系统设计(2学时)
5.1 系统设计原则与方法;5.2信号与噪声;5.3能谱测量;5.4时间测量;5.5符合测量;5.6触发判选(粒子鉴别、反符合等);5.7空间方向测量;5.8 CCD读出;5.9微量能器信号读出;5.10数字化趋势
6)电磁兼容设计(1学时)
6.1电磁兼容设计基础;6.2电磁兼容设计原则;6.3屏蔽设计;6.4电源滤波;6.5接地技术;6.6电磁兼容性测试;6.7信号完整性
7)可靠性设计(1学时)
7.2概述;7.2 FMEA;7.3热设计;7.4降额设计;7.5静电问题;7.6空间辐射环境防护;
7.7可靠性试验
8)系统工程方法(1学时)
8.1系统工程的基本概念;8.2务分解与总体方案设计;8.3航天项目研制阶段与技术流程;8.4系统集成与综合测试;8.5软件工程
9)航天产品质量保证(1学时)
9.1元器件;9.2工艺;9.3技术状态管理;9.4关键项目控制;9.5标准化等

第五章	地面及在轨标定(宋黎明,3学时)
1)标定过程分析
1.1性能测试与标定实验;1.2数据分析与标定数据库;1.3标定工作接口
2)地面标定
2.1地面标定概述;2.2地面标定系统构成,2.3地面标定流程;2.4标定数据处理
3)在轨标定
3.1在轨标定分析;3.2在轨标定实验设计;3.3标定数据库;3.4在轨标定举例

第六章	数据处理与物理分析(宋黎明,9学时)
1)数据产品与数据分析基础(3学时)
1.1数据产品设计与分类;1.2数据格式-FITS;1.3数理统计基础;1.4常用统计分布;1.5误差传播;
2)数据分析过程(4学时)
2.1能谱分析(响应信息与标定数据库;物理分析与模型;本底估计);
2.2时变分析(太阳系质心修正;时域分析方法;频域分析方法;周期信号搜索方法);
2.3成像分析(掠射成像;解调成像;直接解调成像);
2.4偏振分析(偏振探测数据特点;偏振分析过程;偏振信息估计)
3)分析结果与误差(1学时)
3.1分析结果置信度;3.2误差的含义与估计
4)数据分析举例(1学时)
4.1慧眼数据分析举例;4.2 其它卫星数据分析过程举例

教学手段与方法:
教师课堂讲授 + 讨论互动 (+ 实验讲解)的方式,课后布置相关思考题,旨在使学生碎片化的知识系统化,建立科学研究的整体图像。

考核方式:
考核采用百分制,由三部分组成:
1、课堂表现 为25%
2、闭卷考题 为65%
3、教师均分 为10% 

参考文献

1、  张和祺, 徐永煊. 空间天文学. 国防工业出版社,1998.
2、  C. R. Kitchin编著. 天体物理方法. 杨大卫等译. 科学出版社, 2009.
3、  C. Grupen, B. Shwartz. 粒子探测器. 朱永生, 盛华义译 . 中国科学技术大学出版社, 2015.
4、  丁富荣等. 辐射物理. 北京大学出版社, 2004.
5、  丁洪林. 核辐射探测器. 哈尔滨工程大学出版社, 2010.
6、  杨晓宁, 杨勇等编著. 航天器空间环境工程. 北京理工大学出版社, 2018.
7、  C. Groupen. Astroparticle Physics. Springer, 2005.
8、  G. F. Knoll. Radiation Detection and Measurement. 4th Edition. John Wiley & Sons, 2010.
9、P. Horowitz, W. Hill. The Art of Electronics. 3rd Edition. Cambridge University Press, 2015. (中译本:电子学. 吴利民等译. 2版. 电子工业出版社, 2017)
10、H. W. Ott. Noise Reduction Techniques In Electronic Systems. 2nd Edition. John Wiley & Sons,1988.  (中译本:电子系统中噪声的抑制与衰减技术. 王培清,李迪译. 2版. 电子工业出版社, 2003.)
11、C. R. Paul. Introduction to Electromagnetic Compatibility. 2nd Edition. John Wiley & Sons, 2006.  (中译本:电磁兼容导论. 闻映红等译. 2版. 人民邮电出版社, 2007)