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中国科大在蟹状(zhuang)星云辐(fu)射精确测(ce)量中发(fa)挥重要作用
来源:科研部 发布时间:2020-07-09 浏览次数:11

我国高(gao)(gao)海拔宇宙线(xian)(xian)观(guan)测(ce)站(LHAASO拉(la)索)成(cheng)(cheng)功测(ce)量(liang)出蟹状(zhuang)星云辐射的(de)最高(gao)(gao)能(neng)量(liang)端能(neng)谱(pu),实现(xian)了前所未(wei)有的(de)超(chao)高(gao)(gao)能(neng)区(0.3-1.1拍电子(zi)伏(fu))的(de)精确测(ce)量(liang),为该(gai)能(neng)区标准(zhun)烛光设定了亮度标准(zhun)。北京时间(jian)7月9日《科(ke)学》(Science)刊发了这一成(cheng)(cheng)果。高(gao)(gao)海拔宇宙线(xian)(xian)观(guan)测(ce)站是(shi)(shi)7个国家、32个单位共同合作(zuo)参与的(de)大(da)(da)科(ke)学装置项(xiang)目,已(yi)经取得(de)一系列重要研究成(cheng)(cheng)果。中(zhong)国科(ke)大(da)(da)参与研制的(de)水切伦科(ke)夫(fu)探测(ce)器(qi)阵列WCDA和地下缪子(zi)探测(ce)器(qi)阵列(KM2A-MD)是(shi)(shi)其核心探测(ce)单元。

图1:蟹状星(xing)云辐射的伽马射线(xian)能谱,WCDA和(he)KM2A均为LHAASO的核心探测器。

我(wo)校核(he)探(tan)测(ce)与核(he)电子(zi)学(xue)国家重(zhong)点(dian)实验室自(zi)10年前开始(shi)承担(dan)拉索(suo)核(he)心探(tan)测(ce)器水切伦科夫(fu)探(tan)测(ce)器阵列(lie)WCDA和地下缪子(zi)探(tan)测(ce)器阵列(lie)(KM2A-MD)的大(da)尺(chi)寸光敏探(tan)头研(yan)(yan)制,以及(ji)WCDA大(da)尺(chi)寸光敏探(tan)头读出电子(zi)学(xue)的研(yan)(yan)制和工程实施工作。

如果说WCDA和(he)(he)KM2A-MD是拉索的(de)“眼睛”,大(da)(da)尺寸(cun)光(guang)敏探(tan)头(tou)就是拉索的(de)“视网膜”。为了保证天文观测的(de)灵敏度和(he)(he)能谱测量的(de)范围(wei),WCDA和(he)(he)KM2A-MD分别要(yao)求(qiu)大(da)(da)尺寸(cun)光(guang)敏探(tan)头(tou)和(he)(he)电子(zi)学(xue)在3和(he)(he)5.5个数(shu)量级的(de)大(da)(da)动态范围(wei)内(nei)进行高(gao)精度的(de)信号读出和(he)(he)测量,这(zhei)在国际宇宙线探(tan)测实验(yan)中是极具挑(tiao)(tiao)战性的(de)工作(zuo)。我校核探(tan)测和(he)(he)核电子(zi)学(xue)国家(jia)实验(yan)室成功地解(jie)决(jue)了这(zhei)一挑(tiao)(tiao)战。

图(tu)2:WCDA示(shi)意图(tu),水池(chi)底(di)(di)为大(da)尺(chi)寸(cun)光(guang)(guang)敏(min)探(tan)头。WCDA探(tan)测器总面积为7.8万平(ping)(ping)方米,包含(han)3120个(ge)(ge)探(tan)测器单元。每(mei)个(ge)(ge)单元充满4.4米深纯水,池(chi)底(di)(di)放置(zhi)大(da)尺(chi)寸(cun)光(guang)(guang)敏(min)探(tan)头。KM2A-MD设计与WCDA类似,由1188个(ge)(ge)埋在地下(xia)2.5米深的(de)面积为36平(ping)(ping)方米的(de)大(da)水池(chi)组成(cheng),池(chi)顶放置(zhi)大(da)尺(chi)寸(cun)光(guang)(guang)敏(min)探(tan)头。

实验(yan)室李澄、唐泽波、江(jiang)琨等(deng)带领的闪烁(shuo)探(tan)(tan)测器研(yan)究团(tuan)队(dui)分别(bie)针(zhen)对(dui)(dui)WCDA和KM2A-MD的实验(yan)要求(qiu),经过大量(liang)(liang)模(mo)拟(ni)研(yan)究和实验(yan)验(yan)证(zheng),取得了(le)多项(xiang)核心技术突破,研(yan)制出满足实验(yan)各(ge)项(xiang)要求(qiu)的大尺寸光(guang)敏探(tan)(tan)头(tou)(tou)。WCDA的动态(tai)范围(wei)达到了(le)3个数(shu)量(liang)(liang)级,KM2A-MD的动态(tai)范围(wei)达到了(le)5.5个数(shu)量(liang)(liang)级。这是拉索能(neng)(neng)(neng)在(zai)很宽的能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)范围(wei)内实现伽马射线能(neng)(neng)(neng)谱精(jing)确测量(liang)(liang)的核心保(bao)障(zhang)。在(zai)实验(yan)室的深度参与下,关键(jian)部件光(guang)电倍增管实现了(le)国产化(hua)并达到国际先进水(shui)平。研(yan)究团(tuan)队(dui)还研(yan)制出一套高度自动化(hua)的大尺寸光(guang)敏探(tan)(tan)头(tou)(tou)高精(jing)度性(xing)能(neng)(neng)(neng)测量(liang)(liang)系统,对(dui)(dui)研(yan)制的每个大尺寸光(guang)敏探(tan)(tan)头(tou)(tou)的性(xing)能(neng)(neng)(neng)均进行了(le)细致研(yan)究,保(bao)证(zheng)了(le)工程的质量(liang)(liang)和进度。

图(tu)3:WCDA大(da)尺寸光敏(min)探头和批量(liang)性能测量(liang)装置(zhi)

项目负责(ze)人安琪、总工(gong)(gong)(gong)程师赵雷和副(fu)总工(gong)(gong)(gong)程师曹喆带领的(de)WCDA大尺寸光敏(min)探头读出(chu)电(dian)子学(xue)研(yan)(yan)究团队成功(gong)完成该系统的(de)整(zheng)体(ti)研(yan)(yan)制和工(gong)(gong)(gong)程实(shi)施,并(bing)完成四项重(zhong)大技术突破。研(yan)(yan)究团队针(zhen)对WCDA采用(yong)国(guo)产新型(xing)20英寸MCP PMT的(de)新方案成功(gong)完成前端读出(chu)ASIC(专(zhuan)用(yong)集成电(dian)路)--PASC芯(xin)片的(de)研(yan)(yan)制和优化设计(ji)(此前世界上无一款成熟(shu)ASIC芯(xin)片可满足此实(shi)验(yan)需(xu)求),并(bing)正式用(yong)于拉(la)索工(gong)(gong)(gong)程中,这也(ye)是我(wo)国(guo)在大型(xing)宇宙线物理实(shi)验(yan)中首(shou)批(pi)使用(yong)的(de)自主研(yan)(yan)制ASIC芯(xin)片。

图4:自主(zhu)设计完成(cheng)的前端大动态范(fan)围读(du)出ASIC芯片—PASC

以及(ji)基于此芯片(pian)研制完成的(de)电子学研制及(ji)安装(zhuang)

我校天(tian)文(wen)学系杨睿智教授也(ye)在拉索项(xiang)目(mu)中担任物(wu)理协调委(wei)员(yuan)会成员(yuan)和年(nian)轻巨(ju)星团子课题(ti)协调人,在本次(ci)成果中参与了数(shu)据(ju)分析和唯象解释工作。

随着WCDA和KM2A-MD的持续投入运行,LHAASO拉索将产生越来越多的突破性物理成果。

论文链接:


(物理(li)学院、核探测与(yu)核电子学国(guo)家重点实验室、科(ke)研部)


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