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1cm。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。