宇宙线标定系统（CoRaRS）—探测器通用测试平台的研制与应用

【摘要】人类对宇宙线的认识和研究已有100多年的历史,宇宙线作为天然的高能射线源在20世纪早期为诸多新粒子的发现做出了重要贡献。后来随着加速器的出现与发展,宇宙线的研究方向从粒子物理学逐渐转向了天体物理学,并随着探测技术的进步而不断发展。宇宙线研究的根本问题是宇宙线起源：宇宙线来自何处?宇宙线怎样被加速?宇宙线如何传播?为了解答这些问题,世界各地的科学家展开了很多空间与地面试验对宇宙线的能谱、成分和方向等进行观测。大型高海拔空气簇射观测站(LargeHighAltitudeAirShowerObservatory,简写为LHAASO)是中国科学家提出的新一代大型γ天文巡天扫描探测系统,以探索高能宇宙线起源和相关宇宙演化、高能天体演化以及暗物质研究为核心科学目标。LHAASO计划建设在海拔4000多米的香格里拉,覆盖面积1平方公里,包括多组分探测器阵列。作为LHAASO的主体阵列,一平方公里阵列(KM2A)承担了两项主要的科学目标：30TeV以上γ天文和宇宙线膝区物理。KM2A包含5600多个电子单元探测器(ED),为满足LHAASO的科学目标,电子单元探测器需要满足以下指标：有效探测面积1m×1m；时间分辨率优于2ns；探测效率高于95%;单电子分辨率优于0.25.山东大学作为LHAASO合作组成员,承担了对所有5600余个电子单元探测器的各项性能指标进行测试和标定的任务。为此,我们在山东大学设计搭建了宇宙线标定系统(CosmicRayReferenceSystem,简写为CoRaRS),并对第一个电子单元探测器原型机进行了全面的测试。本论文前两章对宇宙线发现与研究的历史、宇宙线研究方法与前沿课题以及新一代宇宙线实验——LHAASO进行了介绍。第三章首先介绍了LHAASO-KM2A阵列电子单元探测器(ED)的性能指标和设计结构,然后引出本文的主要内容——宇宙线标定系统(CoRaRS)并介绍了它的设计目标、整体结构以及主要功能等方面。论文第四、五、六章依次介绍了CoRaRS的各个功能系统：探测器系统、电子学系统以及数据获取系统。第七章详细介绍了对CoRaRS的系统刻度,包括系统触发、位置分辨以及时间分辨等方面。我们通过分析和模拟得到系统的理论触发率为12／s；经过对高压、阈值以及符合时间等的调节,我们得到的实际触发率为10/s,与模拟结果基本一致。然后介绍了CoRaRS对宇宙线粒子的径迹重建的方法,并分析得到CoRaRS的位置测量精度在2cm左右,位置分辨率优于lcm。最后介绍了对闪烁探测器的时间刻度,得到了所有8个闪烁探测器的全区域刻度值分布,并大幅提高了CoRaRS的时间分辨能力,最终得到单个闪烁探测器的时间分辨率为640ps,CoRaRS的重建时间分辨率约为500ps.论文的第八章介绍了利用CoRaRS对电子探测器(ED)原型机的测试方法和结果,得到该原型机的时间分辨率为1.73ns、在阈值为-15mV时的探测效率为93.7%、单粒子分辨率为0.23,测试结果与指标要求基本符合。利用CoRaRS对粒子径迹的重建能力,还对ED进行了全区域扫描,得到了它的各项性能在全区域上的分布均匀性。论文的最后一章对全篇进行了总结与讨论,并提出了CoRaRS的升级计划。
【作者】徐统业；
【导师】梁作堂；祝成光；
【作者基本信息】山东大学，粒子物理与原子核物理，2014，博士
【关键词】宇宙线；LHAASO；电子探测器；测试系统；系统刻度；时间分辨率；探测效率；单粒子分辨率；

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