ASγ实验地面阵列升级--闪烁体单元探测器及样机的模拟研究

摘要

宇宙线是在1912年由奥地利物理学家Victor Hess利用气球飞行实验发现的，自此之后人们就开始了对宇宙线的研究，至今已有100多年的历史了。在对宇宙线的研究过程中，许多新粒子（如e+，μ子，π介子，K介子等）及其相互作用陆续被科学家们发现。近年来，宇宙线也成为了研究中微子振荡，直接或间接寻找暗物质粒子必不可少的手段。 羊八井中日ASγ宇宙线实验站位于西藏拉萨市的羊八井镇，海拔4300米，非常适合开展TeV-PeVγ射线源的研究。它于1990年建成并稳定运行至今，为了进一步提高探测100 TeVγ射线的实验灵敏度，我们计划增加160台表面探测器使优化后的有效探测面积达到72900平方米，从而在100 TeV能区灵敏度再提高2倍，我们称之为表面扩展阵列。 本论文的主要工作就是基于Geant4模拟程序，对怀柔闪烁体单元探测器及羊八井ASγ表面扩展阵列闪烁体样机的性能展开研究。在模拟的过程中，我们使用了Tyvek反射膜的反射率及表面的光学参数，光电倍增管(PMT)的量子效率等性能参数，并通过怀柔闪烁体单元探测器模拟结果与实验数据的符合情况，确定了闪烁体表面的光学参数。同时结合光导箱高度对光子数、时间分辨、位置均匀性的影响，初步给出了羊八井ASγ表面扩展阵列闪烁体样机的优化方案。与此同时，在实验室也搭建了闪烁体样机的测试系统，并且对闪烁体样机的性能进行了测试，实验结果也证实了模拟程序的可靠性，所有的这些结果都对今后羊八井ASγ表面扩展阵列闪烁体探测器性能的深入研究有着重要的指导意义。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 宇宙线概述

1．1．1 宇宙线的能谱

1．1．2 宇宙线的观测

1．2 广延大气簇射

1．2．1 电磁级联簇射

1．2．2 强子级联簇射

1．3 羊八井中日ASγ宇宙线实验

1．3．1 羊八井的地理位置和物理优势

1．3．2 羊八井ASγ实验概况

2 软件介绍

2．1 Geant4简介

2．1．1 Geant4的发展史

2．1．2 Geant4的特点

2．2 Geant4软件结构

2．2．1 逻辑单元

2．2．2 功能模块

2．3 Geant4模拟的基本概念

2．3．1 与探测器几何构造相关的概念

2．3．2 与模拟过程相关的概念

2．4 Geant4的光学模型

3 模拟参数调试

3．1 Tyvek反射膜表面的光学参数

3．2 Tyvek反射膜的反射率

3．3 塑料闪烁体

3．4 光电倍增管

3．5 小结

4 怀柔闪烁体单元探测器的模拟优化

4．1 EJ-200光面闪烁体的模拟

4．1．1 ADC幅度的模拟

4．1．2 TDC时间信息模拟与实验的比较

4．2 EJ-200毛面闪烁体的模拟

4．3 单元探测器闪烁体位置均匀性的研究

4．4 光导箱高度的优化

4．5 小结

5 羊八井ASγ表面扩展阵列闪烁体样机的模拟

5．1 光子数的模拟

5．2 不同光导箱高度下闪烁体的位置均匀性研究

5．3 模拟程序优化

5．4 小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢