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恰好是少年

2021年07月09日
中国科大在蟹状星云辐射精确测量中发挥重要作用

我国高(gao)海(hai)拔宇宙线(xian)观(guan)测(ce)(ce)站(zhan)(LHAASO拉索)成功测(ce)(ce)量出蟹状星(xing)云辐射的(de)最高(gao)能(neng)(neng)量端能(neng)(neng)谱,实(shi)现了(le)前(qian)所未有的(de)超高(gao)能(neng)(neng)区(0.3-1.1拍电子(zi)伏)的(de)精确测(ce)(ce)量,为(wei)该能(neng)(neng)区标准烛光设定了(le)亮度标准。北京时间7月9日《科学(xue)》(Science)刊发了(le)这一(yi)成果。高(gao)海(hai)拔宇宙线(xian)观(guan)测(ce)(ce)站(zhan)是(shi)7个(ge)(ge)国家、32个(ge)(ge)单位(wei)共同(tong)合作(zuo)参与的(de)大科学(xue)装置项目,已经取(qu)得一(yi)系列重(zhong)要(yao)研究成果。中国科大参与研制的(de)水(shui)切(qie)伦科夫探测(ce)(ce)器阵列WCDA和(he)地下缪(mou)子(zi)探测(ce)(ce)器阵列(KM2A-MD)是(shi)其核心(xin)探测(ce)(ce)单元。

图1:蟹状(zhuang)星(xing)云(yun)辐射的伽马射线能谱,WCDA和KM2A均为LHAASO的核心探测器。

我(wo)校核(he)(he)探(tan)(tan)测(ce)(ce)与核(he)(he)电子学国家重点实验室自10年前(qian)开始(shi)承(cheng)担拉索(suo)核(he)(he)心探(tan)(tan)测(ce)(ce)器(qi)(qi)水切伦科(ke)夫探(tan)(tan)测(ce)(ce)器(qi)(qi)阵(zhen)列WCDA和地下缪子探(tan)(tan)测(ce)(ce)器(qi)(qi)阵(zhen)列(KM2A-MD)的(de)大尺寸(cun)光(guang)敏探(tan)(tan)头研制,以及WCDA大尺寸(cun)光(guang)敏探(tan)(tan)头读(du)出电子学的(de)研制和工程实施(shi)工作(zuo)。

如果说WCDA和(he)(he)KM2A-MD是(shi)(shi)拉索的(de)“眼睛”,大(da)尺(chi)寸(cun)光敏探(tan)头(tou)就是(shi)(shi)拉索的(de)“视网膜(mo)”。为了保(bao)证天文观测的(de)灵(ling)敏度和(he)(he)能(neng)谱测量(liang)的(de)范围,WCDA和(he)(he)KM2A-MD分(fen)别要(yao)求大(da)尺(chi)寸(cun)光敏探(tan)头(tou)和(he)(he)电(dian)子学在3和(he)(he)5.5个数量(liang)级的(de)大(da)动(dong)态范围内进行高精度的(de)信号读出(chu)和(he)(he)测量(liang),这在国际宇宙线探(tan)测实(shi)验中是(shi)(shi)极(ji)具(ju)挑(tiao)战(zhan)性的(de)工作。我(wo)校核(he)探(tan)测和(he)(he)核(he)电(dian)子学国家实(shi)验室(shi)成功(gong)地解决了这一挑(tiao)战(zhan)。

图2:WCDA示意(yi)图,水池底为(wei)大尺寸光敏探(tan)头。WCDA探(tan)测器总面积(ji)为(wei)7.8万平方米,包含3120个(ge)探(tan)测器单(dan)元。每个(ge)单(dan)元充满(man)4.4米深纯水,池底放置大尺寸光敏探(tan)头。KM2A-MD设计与WCDA类似(si),由(you)1188个(ge)埋在(zai)地下2.5米深的面积(ji)为(wei)36平方米的大水池组成,池顶(ding)放置大尺寸光敏探(tan)头。

实验(yan)室(shi)李澄(cheng)、唐泽波、江(jiang)琨等带领的(de)(de)(de)(de)闪烁探测器研究(jiu)团队分别针对WCDA和KM2A-MD的(de)(de)(de)(de)实验(yan)要求,经过大(da)量(liang)模拟研究(jiu)和实验(yan)验(yan)证,取得(de)了(le)多项(xiang)核心技术突破,研制(zhi)出(chu)满足(zu)实验(yan)各项(xiang)要求的(de)(de)(de)(de)大(da)尺寸(cun)光敏探头。WCDA的(de)(de)(de)(de)动态范(fan)围达到(dao)了(le)3个(ge)(ge)数量(liang)级(ji),KM2A-MD的(de)(de)(de)(de)动态范(fan)围达到(dao)了(le)5.5个(ge)(ge)数量(liang)级(ji)。这是拉索(suo)能在(zai)很(hen)宽的(de)(de)(de)(de)能量(liang)范(fan)围内实现伽马射线能谱精确测量(liang)的(de)(de)(de)(de)核心保(bao)障(zhang)。在(zai)实验(yan)室(shi)的(de)(de)(de)(de)深(shen)度(du)参(can)与下(xia),关键部件光电倍(bei)增管(guan)实现了(le)国产(chan)化并(bing)达到(dao)国际先进水平。研究(jiu)团队还研制(zhi)出(chu)一套(tao)高度(du)自动化的(de)(de)(de)(de)大(da)尺寸(cun)光敏探头高精度(du)性能测量(liang)系统,对研制(zhi)的(de)(de)(de)(de)每个(ge)(ge)大(da)尺寸(cun)光敏探头的(de)(de)(de)(de)性能均进行了(le)细致研究(jiu),保(bao)证了(le)工程的(de)(de)(de)(de)质(zhi)量(liang)和进度(du)。

图3:WCDA大(da)尺寸(cun)光敏探头和批量性能测量装(zhuang)置

项目负责人安(an)琪、总工(gong)程(cheng)师赵雷(lei)和(he)副总工(gong)程(cheng)师曹喆带领的WCDA大尺(chi)寸(cun)光敏探头读出(chu)电子学(xue)研究(jiu)团队成(cheng)功完(wan)成(cheng)该系统的整体研制(zhi)和(he)工(gong)程(cheng)实(shi)施(shi),并(bing)完(wan)成(cheng)四项重大技术(shu)突破。研究(jiu)团队针对WCDA采用国(guo)产新型20英寸(cun)MCP PMT的新方案成(cheng)功完(wan)成(cheng)前(qian)端读出(chu)ASIC(专(zhuan)用集(ji)成(cheng)电路)--PASC芯(xin)片的研制(zhi)和(he)优化设计(此前(qian)世界上(shang)无一款成(cheng)熟ASIC芯(xin)片可(ke)满足(zu)此实(shi)验需求),并(bing)正(zheng)式用于拉索工(gong)程(cheng)中,这也是我国(guo)在(zai)大型宇宙(zhou)线(xian)物(wu)理实(shi)验中首批使用的自(zi)主研制(zhi)ASIC芯(xin)片。

图4:自主设计完(wan)成的前端大动态范围读出ASIC芯片—PASC

以及(ji)基于此(ci)芯片(pian)研制完成(cheng)的电子学(xue)研制及(ji)安装(zhuang)

我(wo)校天文学系杨睿智教授也(ye)在(zai)拉(la)索项目中担(dan)任物理协(xie)调委员会成员和年(nian)轻(qing)巨星(xing)团子课(ke)题协(xie)调人,在(zai)本次成果中参与了(le)数据分(fen)析和唯象解释(shi)工(gong)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:


(物理学院、核探测与核电(dian)子学国家(jia)重点(dian)实验室、科(ke)研部)

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