本文關(guān)鍵詞：LHAASO實驗中大動態(tài)范圍光電倍增管性能研究　出處：《中國科學技術(shù)大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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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研究的重要課題。通過大量的研究和探索,人們對宇宙線粒子的主要成分有了深入了解,相對而言,對于宇宙線的起源,以及它們的加速機制、傳播機制等基本問題至今沒有較準確的答案。因此,通過測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。針對上述核心問題,我國物理學家提出在四川省稻城縣海子山海拔4410 m處建設一個大面積高海拔宇宙線觀測站(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探測器由覆蓋超過1 km2的地面簇射粒子陣列(KM2A)、總面積達78000m2的水切倫科夫探測器陣列(WCDA)和12臺廣角切倫科夫望遠鏡(WFCTA)構(gòu)成,使用幾種不同的觀測手段,實現(xiàn)對宇宙線的精確測量。其中WCDA位于LHAASO探測器中心位置,主要是在甚高能中低能段(100 GeV-30TeV)對整個北天區(qū)伽馬源巡天觀測。WCDA使用水切倫科夫探測技術(shù),由3000個單元探測器組成。每一個單元探測器的水池體積是5 m × 5 m × 4.4 m,水池底部中央放置一個8-9 inch的光電倍增管(PMT),用于接收宇宙線次級粒子在水中產(chǎn)生的切倫科夫光。作為探測器單元的讀出元件,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態(tài)范圍(1-4000 PE),同時要求時間響應快(TTS4.0 ns)、噪聲小(5kHz@1/4PE)等。其中,1-4000 PE的線性動態(tài)范圍遠遠大于一般PMT讀出電路(按照廠家提供的分壓)所能達到的動態(tài)范圍,也要比國際上的同類型實驗中PMT所能達到的動態(tài)范圍大的多,是WCDA設計中需要解決的關(guān)鍵問題。論文的主要工作是針對WCDA對PMT提出的要求,分別對三種候選大面積光電倍增管XP1805、CR365和R5912設計大動態(tài)范圍讀出電路。詳細研究了大尺寸PMT各項性能參數(shù)的測試方法,包括增益、高壓響應、渡越時間分散、暗噪聲計數(shù)率、后脈沖率和非線性,通過大量實驗確定各候選PMT讀出電路設計方案。測試結(jié)果表明,三種候選PMT在專門為其設計的分壓與讀出電路下,各項性能都可以滿足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個單元構(gòu)成。整個WCDA 一共需要3200支PMT(加上備用)。這些PMT在被安裝之前,需要對它們各方面的性能進行詳細的測試。論文的另一個主要工作是針對WCDA大量PMT的測試需求,搭建了大尺寸PMT批量測試系統(tǒng),解決了批量測試中遇到的關(guān)鍵問題,如光源問題(勻光分光、LED和皮秒激光之間的切換)、信號處理、不同測試項之間的切換、控制等,并提出了完整的PMT性能批量測試方案,整個測試過程除在單光電子測試與非線性測試之間需要一次手動調(diào)節(jié)選通器開關(guān)外,其余都可以通過軟件控制實現(xiàn)。使用批量測試裝置對候選PMT樣管進行了小批量測試,結(jié)果進一步驗證了此測試裝置與測試方案的可行性,各項測試精度可以滿足WCDA的需求指標。LHAASO實驗的另一主體陣列KM2A用于探測空氣簇射中的電磁粒子和繆子,包括電磁粒子探測器陣列(ED)和繆子探測器陣列(MD)。其中MD同樣采用水切倫科夫探測技術(shù),分為1171個探測單元。每個單元的水袋頂部同樣安裝一個直徑8-9 inch的半球形PMT,用于接收切倫科夫光。模擬表明MD單元至少要實現(xiàn)1-10000個繆子的動態(tài)測量范圍,要求PMT輸出線形電流達到1.6 A以上。這是MD設計需要解決的關(guān)鍵問題。針對MD對PMT性能的特殊要求,為候選光電倍增管R5912和XP1805分別設計了分壓與讀出電路,經(jīng)過大量的實驗驗證,最終確定了可行的設計方案。性能測試結(jié)果表明,兩種候選PMT在該設計方案下信號輸出都能夠達到1.6 A以上動態(tài)范圍。針對MD實驗1200多支PMT的測試需求,以及其與WCDA-PMT批量測試上的異同,將WCDA-PMT批量測試系統(tǒng)擴展到MD-PMT的批量測試中,并提出了完整的批量測試方案。論文研究過程中,對宇宙線物理以及宇宙線物理研究的核心問題和相關(guān)實驗方法進行深入調(diào)研。研究工作針對我國LHAASO實驗計劃,以及兩種探測器陣列(WCDA與MD)對大動態(tài)范圍PMT的性能需求開展多方面的研究。提出了各候選PMT大動態(tài)范圍讀出設計方案,解決WCDA與MD讀出設計的關(guān)鍵問題;研究和優(yōu)化了 PMT性能指標測試方法,為PMT的批量測試奠定基礎。這些研究對于LHAASO項目建設具有重要意義。
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O572.1

【參考文獻】

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

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

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本文編號：1334607