气球运载的宇宙线能量和质量（CREAM）实验在南极上空飞行六次161天，在平均高度~38.5千米，~3.9 g/cm3大气的地方，元素光谱测定Z=1-26核，覆盖宽能量范围：~10^10到10^14eV。在气球成功基础上，计划重新配置为国际空间站暴露载荷。ISS-CREAM装配了CREAM的热量计用于测量能量，四个精细分割硅电荷检测器层用于精确测量电荷。最新研发了顶部和底部计数探测器（TCD和BCD）以及硼化闪烁探测器(BSD)。TCD和BCD是基于分段探测器的闪烁体，利用簇射差异从原子核中分离电子，而BSD通过探测核产生簇射占主导的热中子，从原子核中区分电子。利用ISS达到直接测量的最高能量，有可能使数据采集能力提升一个量级。

1.介绍

在10^12到10^15精确测量从质子到铁元素的能谱，将解决长期以来的基础科学问题：（1）宇宙线全粒子能谱中“knee”的起源是什么？（2）宇宙线能谱由单一机制产生吗？（3）超新星真的能提供大部分宇宙线吗？（4）银河系中宇宙线的历史是什么？虽然空间站高级宇宙线组成实验ACCESS（Advanced Cosmic-ray Composition Experiment for the Space Station）在2001年十年研究报告中被高度重视，但在接近“knee”能量上，以所需精度测量低粒子通量的航天任务还没发射。

CREAM(Cosmic Ray Energetics And Mass)开始是一个气球运载实验，旨在拓展宇宙线直接测量至实际最高能量。从2004到2010年，CREAM已六次成功飞越南极，分别为 CREAM-I 到 CREAM-VI，共积累~161天飞行时间，是已知单气球项目中暴露时间最长的。在气球成功飞行基础上，载荷已计划安排到ISS上，称为ISS-CREAM，将完成ACCESS任务的主要科学目标，包括：（1）确定观测到的质子和更重核的光谱差异，在接近“knee”更高能量上如何演化；（2）能够测量初级宇宙射线与星际介质相互作用产生次生核光谱的变化；（3）进行敏感光谱特征搜索，如质子谱弯曲；（4）以足够精度测量电子，确定是否存在近宇宙源。

2.气球运载CREAM载荷

设计CREAM仪器以满足挑战性需求，从而有足够大几何因子为低通高能粒子收集统计资料，但要保持在气球飞行的限制重量以内。CREAM实验使用互补和冗余粒子探测器，以高分辨率测定从质子到铁高能宇宙射线的电荷和能量。

热量仪（CAL）包含0.5厚的石墨靶和一叠20钨板，每个50cm*50cm*35mm（1 X₀)厚，紧接着是一层直径0.5mm的闪烁光纤，分为50个1cm宽的带。碳靶引起强子相互作用，于是热量仪里产生簇射。热量仪中的能量沉积确定了粒子能量，并提供跟踪信息，从而确定电荷探测器的哪个（些）部分用于电荷测量。簇射跟踪是通过每个簇射轴返回电荷探测器推算出来的。

为了入射粒子相同部分的伴随后向散射粒子hits最小化，电荷探测器是分开的。硅电荷探测器（SCD）由一组DC型硅PIN二极管组成。通过传感器的宇宙线在废弃区域产生电离，与粒子电荷的平方成正比。SCD构件是在5英寸、380µm厚晶片上制造的硅传感器，传感器被分成4×4矩阵，16像素。优化2.12cm²活动区的每个像素，减少热量仪簇射后向散射的影响，同时以易控等级保持通道计数和功率。单层SCD由26个层ladders组成，每个装有7个硅传感器组件，带有相关模拟读出电子器件，覆盖79*79 cm²。每个元素从Z=1到Z=28都分在SCD单层，具有σ~ 0.2e分辨率和较好线性度。

科学仪器和飞行支持系统的优越表现都可归因于一个事实，开发用于100天ULDB任务。同样载荷不能连续几年飞行，因为需要休息、回到实验室和整修时间。因此，要建多个备份探测器，当可用时充分利用每年的飞行机会。虽然基本测量原理保持不变，但多年来已经取得显著改进。每次飞行配置的一些亮点总结如下：

CREAM-I:通过过渡辐射探测器TRD（Transition RadiationDetector）或电离计独立测量粒子能量。TRD通过薄壁气管测量过渡x射线，确定了Z>3 nuclei的Lorentz因子。可以测量质子和氦能量的TRD和热量计，在确定粒子能量时有不同系统偏差。两种仪器使得在飞行中进行两种技术交叉定标成为可能，提供了测量宇宙线能量的强有力方法。

CREAM-II: CREAM-I的改进和后续飞行是一个双层SCD，总计4992像素。通过电荷测量一致性获得优异的电荷分辨率 。

CREAM-III：其重要改进是切伦科夫Cherenkov成像仪（CherCam）优化电荷测量。它由硅气凝胶切伦科夫散热器平面和光子探测器平面组成，带有1600个直径1 inch的光电配增器(PMT’s)阵列。平面由10厘米环形膨胀间隙分离，从而保证大多数切伦科夫光子被收集在8个管里，围绕入射电子击中管。由于向上运动的粒子会吸附在散热器中，CherCam将提供反向散射粒子高效识别。利用CherCam，加上基于timing的充电检测器TCD（Timing Charge Detector）和基于像素的SCD， CREAM-III 仪器实现了几乎所有可能的技术，减少反向散射对热量计电荷测量的影响。此外，由于对CAL读出电子进行了改进，能量阈值明显低于前两次飞行。

CREAM-IV：通过每两个混合式光电二极管(HPD’s) 提供高压动力来完成，而不是每五个HPD’s，对热量仪读出盒进行了升级。这种改变使热量仪读出器“graceful degradation”。另一改进是可恢复平台。用两半CREAM-I和CREAM-II平台，运用钢琴铰链概念构建CREAM-IV平台，允许回收损坏不是很严重的平台经过Twin Otter门，并简单组装重新飞行。

CREAM-V: 为了缓解命令和数据处理模块CDM（Command and Data-handling Module）损坏或丢失的危险，对CREAM数据采集CDAQ（CREAM Data Acquisition）系统进行了改进，以适应支持仪器包SIP（Support Instrumentation Package）。SIP通常被哥伦比亚科学气球设施CSBF（Columbia Scientific Balloon Facility）用来支持长时间气球LDB（Long Duration Balloon）载荷。 CREAM-I 到CREAM-IV仪器得到NASA哥达德太空飞行中心（GSFC）沃洛普斯飞行设施WFF（Wallops Flight Facility）研发的CDM支持，以超长时间气球ULDB（Ultra Long Duration Balloon）飞行。CDM正临近使用寿命，没有备用。从仪器接口角度看，CDM和SIP主要区别是：SIP是基于串行的，而CDM是基于以太网的。修改后的CDAQ与串行接口已成功应用于CREAM-V和CREAM-VI。

CREAM-VI：由于其令人费解的提前终止，飞行持续时间非常短，但仪器恢复是最好的，只需最低限度修复。平台上的热量表、SCD和电子箱在没任何拆卸情况下，就可恢复为one piece。虽然有效载荷降落在偏远地区，由于降落伞分离在撞击后被拖了~400米，但科学仪器被找回时没有受到任何损坏。

3.ISS-CREAM载荷

     CREAM气球飞行器基本仪器须重新封装为更小体积，作为日本实验舱暴露设施(JEM-EF)的仪器ISS-CREAM。ISS-CREAM配置了CREAM量热仪，包括用于测量能量的碳靶和用于测量电荷的四层精细分割SCD 。多层可以提供更好的电荷分辨率，并增加长期操作冗余。这些探测器已证明具备能力；能确定从到eV高能宇宙线的电荷和能量，在质子到铁元素范围有优良分辨率。

已开发两个新的紧凑型探测器：顶部/底部计数检测器（TCD/BCD）和硼化闪烁体探测器（BSD）。TCD和BCD都由塑料闪烁体和400个光电二极管组成，通过电子和强子的横向和纵向簇射差异来区分二者。TCD位于碳靶和量热仪之间，BCD位于量热仪下面，如图1所示。还提供一个冗余宇宙线触发器。BSD配置了硼装塑料闪烁体（硼的重量浓度为5%，自然¹⁰B丰度20%）和18个光电倍增管，位于BCD和量热仪的下面，通过检测热中子的硼俘获来测量最近（>400 ns）热中子簇射活动。强子诱导簇射相比于电磁，往往明显伴随更多中子活动。通过BSD热中子测量，源自TCD/BCD的强子斥力显著提高。

该仪器已经按满足JEM-EF接口要求的结构，进行了重封装。仪器基础设计已经成熟，并且已在近空环境中积累多年运行经验；必须足够重视ISS-CREAM电子电路的辐射影响。一定程度上挑选和利用组件，防止由于单粒子锁 SEL ( Single Event Latch-up)导致故障的可能性，确保单粒子翻转事件SEU（Single Event Upset）和单粒子瞬态脉冲SET（Single Event Transient）对数据采集的影响最小。

ISS-CREAM载荷约为一个冰箱大小（如图1），1300公斤重，包括政府提供设备，如grapple装置和载荷接口单元PIU（Payload Interface Unit）。在现有JEM-EF资源中，大约有600瓦功率和350 kbps标称数据率。ISS-CREAM采用主动式热控系统和氟化流体回路，由JEM-EF通过标准PIU提供。

图1  ISS-CREAM结构图（左）和组装过程实际载荷照片（右）

4.现状和计划

2015年初，将集成有效载荷送到了NASA GSFC，进行系统级授权。已完成电磁干扰（EMI）测试，确保与ISS的电磁兼容性（EMC）。继EMI/EMC和电能质量测试，包括辐射敏感和传导发射测试之后，有效载荷目前正在接受机械校验，包括振动、正弦脉冲和声学测验。在热真空试验后，有效载荷将从NASA肯尼迪航天中心发射，由SpaceX安装到ISS JEM-EF上。

在硬件开发同时研发软件，与ISS的接口是基于以太网，如同命令和数据处理模块相对于CREAM的气球飞行。ISS-CREAM运行将和CREAM一样，但NASA马歇尔太空飞行中心（MSFC）的亨茨维尔运营支持中心（HOSC）有效载荷操作集成中心（POIC）将取代NASA GSFC WFF的工程支持中心。

ISS-CREAM将测量能产生巨大空气簇射的宇宙线能谱和组成，目前研究主要是地面观测，因此能提供与地面间接测量的交叉探测。本实验将为研究宇宙线起源和加速机制提供独特数据，能以更高精度描述宇宙射线加速机制。利用ISS达到直接测量的最高实际能量，可能在数据采集率上增加一个数量级。长时间暴露于大气上方，避免了采用气球实验探测宇宙线起源时固有的次级粒子背景问题，提供了量级更高的统计数据。大气上方的任务增强了CREAM科学目标（符合JEM-EF体积限制，也是辅助探测器的明智选择），可以增加对宇宙线电子的敏感性，这是目前粒子天体物理学的极大兴趣点。

文献来源：E. S. Seo (for the ISS-CREAM Collaboration). Cosmic Ray Energetics And Mass: from balloons to the ISS. The 34th International Cosmic Ray Conference 30 July- 6 August, 2015, The Hague, The Netherlands.