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中国科大在蟹状星云辐射精确测量中发挥重要作用

发(fa)稿时间:2020-07-10浏览次数:10

   我国高海(hai)拔(ba)宇宙线(xian)观测(ce)(ce)站(LHAASO拉索)成功测(ce)(ce)量出蟹状星云(yun)辐射的(de)最高能量端能谱,实现了(le)前所未(wei)有的(de)超高能区(qu)(0.3-1.1拍电子(zi)伏)的(de)精确测(ce)(ce)量,为该能区(qu)标准烛光(guang)设定了(le)亮度标准。北京(jing)时间7月(yue)9日(ri)《科学》(Science)刊发了(le)这一成果。高海(hai)拔(ba)宇宙线(xian)观测(ce)(ce)站是7个(ge)国家(jia)、32个(ge)单(dan)位(wei)共同合(he)作参(can)与(yu)的(de)大(da)科学装置项目,已经(jing)取得(de)一系列重(zhong)要研究成果。中(zhong)国科大(da)参(can)与(yu)研制的(de)水切伦科夫探(tan)(tan)测(ce)(ce)器(qi)阵列WCDA和(he)地(di)下(xia)缪子(zi)探(tan)(tan)测(ce)(ce)器(qi)阵列(KM2A-MD)是其核心探(tan)(tan)测(ce)(ce)单(dan)元(yuan)。

图1:蟹状星云辐射的(de)伽马射线能谱,WCDA和KM2A均为(wei)LHAASO的(de)核心探测器(qi)

   我(wo)校(xiao)核探(tan)(tan)测(ce)(ce)与核电子(zi)学(xue)国家重点实验(yan)室自10年前开始承担拉(la)索核心探(tan)(tan)测(ce)(ce)器水切(qie)伦科夫探(tan)(tan)测(ce)(ce)器阵(zhen)列WCDA和地下缪子(zi)探(tan)(tan)测(ce)(ce)器阵(zhen)列(KM2A-MD)的大尺(chi)寸光(guang)(guang)敏探(tan)(tan)头研制,以(yi)及WCDA大尺(chi)寸光(guang)(guang)敏探(tan)(tan)头读(du)出电子(zi)学(xue)的研制和工(gong)程实施(shi)工(gong)作。

   如果说WCDA和KM2A-MD是拉索的“眼睛”,大尺寸光敏探头就是拉索的“视网膜”。为了保证天文观测的灵敏度和能谱测量的范围,WCDA和KM2A-MD分别要求大尺寸光敏探头和电子学在3和5.5个数量级的大动态范围内进行高精度的信号读出和测量,这在国际宇宙线探测实验中是极具挑战性的工作。我校核探测和核电子学国家实验室成功地解决了这一挑战。

图(tu)2:WCDA示意图(tu),水池底为大尺(chi)寸光敏探头

WCDA探(tan)测(ce)器(qi)总面(mian)积为7.8万平方米(mi),包含3120个探(tan)测(ce)器(qi)单元(yuan)

每个单(dan)元(yuan)充满4.4米深纯水,池底放置大尺寸光(guang)敏探头

KM2A-MD设计与WCDA类似,由1188个埋(mai)在地下(xia)2.5米深的面积为36平方(fang)米的大水池(chi)组成

池顶放置大尺寸光敏探(tan)头

   实验(yan)(yan)室(shi)李(li)澄、唐泽波、江琨等带领的(de)(de)(de)(de)闪(shan)烁探测器研(yan)(yan)究团(tuan)队分别针对(dui)WCDA和(he)(he)KM2A-MD的(de)(de)(de)(de)实验(yan)(yan)要(yao)求,经过大(da)(da)量(liang)模拟研(yan)(yan)究和(he)(he)实验(yan)(yan)验(yan)(yan)证,取得了(le)多项(xiang)核心技术(shu)突破,研(yan)(yan)制(zhi)出(chu)满足实验(yan)(yan)各项(xiang)要(yao)求的(de)(de)(de)(de)大(da)(da)尺寸光(guang)(guang)敏探头(tou)(tou)。WCDA的(de)(de)(de)(de)动态范(fan)围达(da)到(dao)了(le)3个数量(liang)级,KM2A-MD的(de)(de)(de)(de)动态范(fan)围达(da)到(dao)了(le)5.5个数量(liang)级。这是拉索能(neng)(neng)在很宽的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)范(fan)围内实现伽马射线(xian)能(neng)(neng)谱精(jing)确测量(liang)的(de)(de)(de)(de)核心保障。在实验(yan)(yan)室(shi)的(de)(de)(de)(de)深度参与下,关键部件光(guang)(guang)电倍增管实现了(le)国(guo)产化并达(da)到(dao)国(guo)际先进水平。研(yan)(yan)究团(tuan)队还研(yan)(yan)制(zhi)出(chu)一套高(gao)(gao)度自动化的(de)(de)(de)(de)大(da)(da)尺寸光(guang)(guang)敏探头(tou)(tou)高(gao)(gao)精(jing)度性能(neng)(neng)测量(liang)系统,对(dui)研(yan)(yan)制(zhi)的(de)(de)(de)(de)每个大(da)(da)尺寸光(guang)(guang)敏探头(tou)(tou)的(de)(de)(de)(de)性能(neng)(neng)均(jun)进行了(le)细致研(yan)(yan)究,保证了(le)工(gong)程的(de)(de)(de)(de)质量(liang)和(he)(he)进度。

图3:WCDA大尺寸光敏(min)探(tan)头和批(pi)量(liang)性能测(ce)量(liang)装置

   项目负责(ze)人安琪(qi)、总工程师(shi)赵(zhao)雷和副总工程师(shi)曹喆带领的(de)WCDA大(da)尺寸光敏探头读出电子(zi)学研(yan)究团队(dui)成(cheng)功(gong)完(wan)成(cheng)该(gai)系统的(de)整体研(yan)制和工程实施,并完(wan)成(cheng)四项重大(da)技术(shu)突破。研(yan)究团队(dui)针对WCDA采用(yong)(yong)国产新型20英寸MCP PMT的(de)新方案成(cheng)功(gong)完(wan)成(cheng)前端(duan)读出ASIC(专(zhuan)用(yong)(yong)集成(cheng)电路(lu))--PASC芯(xin)片的(de)研(yan)制和优化设计(此前世(shi)界(jie)上无一款成(cheng)熟(shu)ASIC芯(xin)片可满足此实验需求(qiu)),并正式(shi)用(yong)(yong)于拉索工程中(zhong),这也是我国在大(da)型宇宙线物(wu)理实验中(zhong)首(shou)批(pi)使用(yong)(yong)的(de)自主(zhu)研(yan)制ASIC芯(xin)片。

图4:自主(zhu)设计完成的前端大动态范围读出ASIC芯片—PASC

   以及(ji)基于此芯片研制完成的电子学研制及(ji)安装

   我校天文学系杨睿智教授(shou)也(ye)在拉(la)索项(xiang)目中担任物(wu)理协(xie)调委(wei)员会成员和年轻巨星团子课题协(xie)调人,在本次成果中参(can)与了数据分析和唯象解释工作。

   随(sui)着WCDA和KM2A-MD的持续(xu)投(tou)入(ru)运行,LHAASO拉索将产生越来越多的突破性物理成果(guo)。

   论文链接:


(物理学院、核探测与核电子学国家重点实验室、科研部)

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鲁迅
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