本文關(guān)鍵詞：LHAASO實(shí)驗(yàn)中大動(dòng)態(tài)范圍光電倍增管性能研究　出處：《中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：自1912年赫斯發(fā)現(xiàn)宇宙射線起,宇宙線的起源和成分一直是物理學(xué)研究的重要課題。通過大量的研究和探索,人們對(duì)宇宙線粒子的主要成分有了深入了解,相對(duì)而言,對(duì)于宇宙線的起源,以及它們的加速機(jī)制、傳播機(jī)制等基本問題至今沒有較準(zhǔn)確的答案。因此,通過測(cè)量高能宇宙線的成分、能譜與入射方向,以尋找原初宇宙線來源是宇宙線物理研究的核心問題。針對(duì)上述核心問題,我國(guó)物理學(xué)家提出在四川省稻城縣海子山海拔4410 m處建設(shè)一個(gè)大面積高海拔宇宙線觀測(cè)站(LHAASO),用以探索高能宇宙射線起源、全天區(qū)掃描伽馬射線源以及研究洛侖茲不變性破壞、暗物質(zhì)和量子引力等新物理。LHAASO探測(cè)器由覆蓋超過1 km2的地面簇射粒子陣列(KM2A)、總面積達(dá)78000m2的水切倫科夫探測(cè)器陣列(WCDA)和12臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡(WFCTA)構(gòu)成,使用幾種不同的觀測(cè)手段,實(shí)現(xiàn)對(duì)宇宙線的精確測(cè)量。其中WCDA位于LHAASO探測(cè)器中心位置,主要是在甚高能中低能段(100 GeV-30TeV)對(duì)整個(gè)北天區(qū)伽馬源巡天觀測(cè)。WCDA使用水切倫科夫探測(cè)技術(shù),由3000個(gè)單元探測(cè)器組成。每一個(gè)單元探測(cè)器的水池體積是5 m × 5 m × 4.4 m,水池底部中央放置一個(gè)8-9 inch的光電倍增管(PMT),用于接收宇宙線次級(jí)粒子在水中產(chǎn)生的切倫科夫光。作為探測(cè)器單元的讀出元件,PMT性能好壞直接影響到WCDA的性能�；赪CDA的物理目標(biāo)以及蒙特卡洛模擬,WCDA要求PMT既要具備良好的單光電子分辨能力(峰谷比2.0),又要具備大的線性動(dòng)態(tài)范圍(1-4000 PE),同時(shí)要求時(shí)間響應(yīng)快(TTS4.0 ns)、噪聲小(5kHz@1/4PE)等。其中,1-4000 PE的線性動(dòng)態(tài)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般PMT讀出電路(按照廠家提供的分壓)所能達(dá)到的動(dòng)態(tài)范圍,也要比國(guó)際上的同類型實(shí)驗(yàn)中PMT所能達(dá)到的動(dòng)態(tài)范圍大的多,是WCDA設(shè)計(jì)中需要解決的關(guān)鍵問題。論文的主要工作是針對(duì)WCDA對(duì)PMT提出的要求,分別對(duì)三種候選大面積光電倍增管XP1805、CR365和R5912設(shè)計(jì)大動(dòng)態(tài)范圍讀出電路。詳細(xì)研究了大尺寸PMT各項(xiàng)性能參數(shù)的測(cè)試方法,包括增益、高壓響應(yīng)、渡越時(shí)間分散、暗噪聲計(jì)數(shù)率、后脈沖率和非線性,通過大量實(shí)驗(yàn)確定各候選PMT讀出電路設(shè)計(jì)方案。測(cè)試結(jié)果表明,三種候選PMT在專門為其設(shè)計(jì)的分壓與讀出電路下,各項(xiàng)性能都可以滿足LHAASO-WCDA的需求,解決了 WCDA研制中的關(guān)鍵問題,并通過積累各PMT參數(shù)數(shù)據(jù),為WCDA-PMT最終定型提供參考。LHAASO-WCDA由3000個(gè)單元構(gòu)成。整個(gè)WCDA 一共需要3200支PMT(加上備用)。這些PMT在被安裝之前,需要對(duì)它們各方面的性能進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)試。論文的另一個(gè)主要工作是針對(duì)WCDA大量PMT的測(cè)試需求,搭建了大尺寸PMT批量測(cè)試系統(tǒng),解決了批量測(cè)試中遇到的關(guān)鍵問題,如光源問題(勻光分光、LED和皮秒激光之間的切換)、信號(hào)處理、不同測(cè)試項(xiàng)之間的切換、控制等,并提出了完整的PMT性能批量測(cè)試方案,整個(gè)測(cè)試過程除在單光電子測(cè)試與非線性測(cè)試之間需要一次手動(dòng)調(diào)節(jié)選通器開關(guān)外,其余都可以通過軟件控制實(shí)現(xiàn)。使用批量測(cè)試裝置對(duì)候選PMT樣管進(jìn)行了小批量測(cè)試,結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了此測(cè)試裝置與測(cè)試方案的可行性,各項(xiàng)測(cè)試精度可以滿足WCDA的需求指標(biāo)。LHAASO實(shí)驗(yàn)的另一主體陣列KM2A用于探測(cè)空氣簇射中的電磁粒子和繆子,包括電磁粒子探測(cè)器陣列(ED)和繆子探測(cè)器陣列(MD)。其中MD同樣采用水切倫科夫探測(cè)技術(shù),分為1171個(gè)探測(cè)單元。每個(gè)單元的水袋頂部同樣安裝一個(gè)直徑8-9 inch的半球形PMT,用于接收切倫科夫光。模擬表明MD單元至少要實(shí)現(xiàn)1-10000個(gè)繆子的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍,要求PMT輸出線形電流達(dá)到1.6 A以上。這是MD設(shè)計(jì)需要解決的關(guān)鍵問題。針對(duì)MD對(duì)PMT性能的特殊要求,為候選光電倍增管R5912和XP1805分別設(shè)計(jì)了分壓與讀出電路,經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,最終確定了可行的設(shè)計(jì)方案。性能測(cè)試結(jié)果表明,兩種候選PMT在該設(shè)計(jì)方案下信號(hào)輸出都能夠達(dá)到1.6 A以上動(dòng)態(tài)范圍。針對(duì)MD實(shí)驗(yàn)1200多支PMT的測(cè)試需求,以及其與WCDA-PMT批量測(cè)試上的異同,將WCDA-PMT批量測(cè)試系統(tǒng)擴(kuò)展到MD-PMT的批量測(cè)試中,并提出了完整的批量測(cè)試方案。論文研究過程中,對(duì)宇宙線物理以及宇宙線物理研究的核心問題和相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行深入調(diào)研。研究工作針對(duì)我國(guó)LHAASO實(shí)驗(yàn)計(jì)劃,以及兩種探測(cè)器陣列(WCDA與MD)對(duì)大動(dòng)態(tài)范圍PMT的性能需求開展多方面的研究。提出了各候選PMT大動(dòng)態(tài)范圍讀出設(shè)計(jì)方案,解決WCDA與MD讀出設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題;研究和優(yōu)化了 PMT性能指標(biāo)測(cè)試方法,為PMT的批量測(cè)試奠定基礎(chǔ)。這些研究對(duì)于LHAASO項(xiàng)目建設(shè)具有重要意義。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O572.1

【參考文獻(xiàn)】

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1 胡紅波;郭義慶;;宇宙線起源中物理學(xué)前沿問題[J];科學(xué)通報(bào);2016年11期

2 樓濱喬;用單光電子法測(cè)試快光電倍增管的時(shí)間分辨特性[J];核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù);1987年05期

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本文編號(hào)：1334607