LHAASO实验中大动态范围光电倍增管性能研究

发布时间：2017-12-25 22:04

本文关键词：LHAASO实验中大动态范围光电倍增管性能研究　出处：《中国科学技术大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：自1912年赫斯发现宇宙射线起,宇宙线的起源和成分一直是物理学研究的重要课题。通过大量的研究和探索,人们对宇宙线粒子的主要成分有了深入了解,相对而言,对于宇宙线的起源,以及它们的加速机制、传播机制等基本问题至今没有较准确的答案。因此,通过测量高能宇宙线的成分、能谱与入射方向,以寻找原初宇宙线来源是宇宙线物理研究的核心问题。针对上述核心问题,我国物理学家提出在四川省稻城县海子山海拔4410 m处建设一个大面积高海拔宇宙线观测站(LHAASO),用以探索高能宇宙射线起源、全天区扫描伽马射线源以及研究洛仑兹不变性破坏、暗物质和量子引力等新物理。LHAASO探测器由覆盖超过1 km2的地面簇射粒子阵列(KM2A)、总面积达78000m2的水切伦科夫探测器阵列(WCDA)和12台广角切伦科夫望远镜(WFCTA)构成,使用几种不同的观测手段,实现对宇宙线的精确测量。其中WCDA位于LHAASO探测器中心位置,主要是在甚高能中低能段(100 GeV-30TeV)对整个北天区伽马源巡天观测。WCDA使用水切伦科夫探测技术,由3000个单元探测器组成。每一个单元探测器的水池体积是5 m × 5 m × 4.4 m,水池底部中央放置一个8-9 inch的光电倍增管(PMT),用于接收宇宙线次级粒子在水中产生的切伦科夫光。作为探测器单元的读出元件,PMT性能好坏直接影响到WCDA的性能。基于WCDA的物理目标以及蒙特卡洛模拟,WCDA要求PMT既要具备良好的单光电子分辨能力(峰谷比2.0),又要具备大的线性动态范围(1-4000 PE),同时要求时间响应快(TTS4.0 ns)、噪声小(5kHz@1/4PE)等。其中,1-4000 PE的线性动态范围远远大于一般PMT读出电路(按照厂家提供的分压)所能达到的动态范围,也要比国际上的同类型实验中PMT所能达到的动态范围大的多,是WCDA设计中需要解决的关键问题。论文的主要工作是针对WCDA对PMT提出的要求,分别对三种候选大面积光电倍增管XP1805、CR365和R5912设计大动态范围读出电路。详细研究了大尺寸PMT各项性能参数的测试方法,包括增益、高压响应、渡越时间分散、暗噪声计数率、后脉冲率和非线性,通过大量实验确定各候选PMT读出电路设计方案。测试结果表明,三种候选PMT在专门为其设计的分压与读出电路下,各项性能都可以满足LHAASO-WCDA的需求,解决了 WCDA研制中的关键问题,并通过积累各PMT参数数据,为WCDA-PMT最终定型提供参考。LHAASO-WCDA由3000个单元构成。整个WCDA 一共需要3200支PMT(加上备用)。这些PMT在被安装之前,需要对它们各方面的性能进行详细的测试。论文的另一个主要工作是针对WCDA大量PMT的测试需求,搭建了大尺寸PMT批量测试系统,解决了批量测试中遇到的关键问题,如光源问题(匀光分光、LED和皮秒激光之间的切换)、信号处理、不同测试项之间的切换、控制等,并提出了完整的PMT性能批量测试方案,整个测试过程除在单光电子测试与非线性测试之间需要一次手动调节选通器开关外,其余都可以通过软件控制实现。使用批量测试装置对候选PMT样管进行了小批量测试,结果进一步验证了此测试装置与测试方案的可行性,各项测试精度可以满足WCDA的需求指标。LHAASO实验的另一主体阵列KM2A用于探测空气簇射中的电磁粒子和缪子,包括电磁粒子探测器阵列(ED)和缪子探测器阵列(MD)。其中MD同样采用水切伦科夫探测技术,分为1171个探测单元。每个单元的水袋顶部同样安装一个直径8-9 inch的半球形PMT,用于接收切伦科夫光。模拟表明MD单元至少要实现1-10000个缪子的动态测量范围,要求PMT输出线形电流达到1.6 A以上。这是MD设计需要解决的关键问题。针对MD对PMT性能的特殊要求,为候选光电倍增管R5912和XP1805分别设计了分压与读出电路,经过大量的实验验证,最终确定了可行的设计方案。性能测试结果表明,两种候选PMT在该设计方案下信号输出都能够达到1.6 A以上动态范围。针对MD实验1200多支PMT的测试需求,以及其与WCDA-PMT批量测试上的异同,将WCDA-PMT批量测试系统扩展到MD-PMT的批量测试中,并提出了完整的批量测试方案。论文研究过程中,对宇宙线物理以及宇宙线物理研究的核心问题和相关实验方法进行深入调研。研究工作针对我国LHAASO实验计划,以及两种探测器阵列(WCDA与MD)对大动态范围PMT的性能需求开展多方面的研究。提出了各候选PMT大动态范围读出设计方案,解决WCDA与MD读出设计的关键问题;研究和优化了 PMT性能指标测试方法,为PMT的批量测试奠定基础。这些研究对于LHAASO项目建设具有重要意义。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O572.1

【参考文献】