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暗物质是当今物理学研究的重大课题。大量的天文观测表明，宇宙的成分中绝大部分是暗物质和暗能量，揭开暗物质之谜，将是人类认识宇宙的又一次重大飞跃。暗物质的热门候选者是弱相互作用重粒子，它可以自湮灭到单能光子，如果观测到单能光子，即湮灭线，对暗物质探测有着决定性的意义。宇宙线自发现至今已有百年的历史，但是宇宙线的起源，传播，加速机制和宇宙线“膝区”的起源等重大问题至今还悬而未决，对宇宙线各种成分能谱的观测，能够对这些经典问题给予解释。空间探测是暗物质湮灭线以及宇宙线观测的一个重要手段，中国即将于2020年左右建设完成大规模的空间实验室，对解决这些高能天体物理和粒子物理学问题而言，是一个重大的机遇。 本文首先利用理想探测器模型，研究了在巡天模式下，暗物质湮灭到单能光子的探测可行性、宇宙线电子探测可行性以及宇宙线核子探测可行性，并比较了不同探测器性能对湮灭线探测灵敏度以及宇宙线探测能力的影响。基于可行性研究的结果，本文设计了多种探测器，以寻求在空间载荷有限的情况下最优的探测器设计方案。这几种设计的核心分别为平板型取样量能器、CsI晶体颗粒堆积型模拟和数字读出全吸收式量能器，并在这些设计的模拟基础上提出了平板取样附加石墨靶物质型、新型LYSO晶体颗粒幅度读出型和电磁量能器和附加石墨靶物质的强子量能器复合型的优化设计方案。本文对这几种设计进行了详细的模拟研究，得到探测器的能量分辨、粒子识别、几何因子等基本性能参数，并结合现有的空间实验和设计进行了探测能力的比较。结果表明，这几种探测器设计在性能上和现有的实验相比均有一定的优势，同时不同的设计在湮灭线测量与宇宙线观测上各有特点。最后，对部分探测候选单元和材料进行了性能测试，验证设计方案的可行性。