專(zhuān)利名稱(chēng)：gamma射線(xiàn)與宇宙線(xiàn)的探測(cè)裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于粒子探測(cè)技術(shù)，本發(fā)明的探測(cè)裝置與方法用于相對(duì)論粒子的粒子數(shù)目及其能量的探測(cè)，原初宇宙線(xiàn)各核種的鑒別及其單成分能譜測(cè)量，應(yīng)用于高能伽馬天文及高能宇宙線(xiàn)的研究。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)高能粒子探測(cè)器，為了測(cè)定帶電粒子的到達(dá)時(shí)間及帶電粒子的數(shù)目，通常采用閃爍體探測(cè)器。當(dāng)帶電粒子通過(guò)閃爍體吋，閃爍體中的原子和分子在退激過(guò)程中會(huì)發(fā)出熒光，其光量與帶電粒子的數(shù)目成正比。利用該原理，就可以測(cè)定進(jìn)入探測(cè)器的帶電粒子的數(shù)目。但閃爍體探測(cè)器價(jià)格昂貴(每平方米2萬(wàn)人民幣左右)，所以無(wú)法滿(mǎn)足大面積制作需求。在大型探測(cè)器領(lǐng)域，近年來(lái)開(kāi)發(fā)成功的水切倫科夫探測(cè)器，由于具有價(jià)格便宜、P/Y鑒別能力強(qiáng)、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)始部分替代閃爍體探測(cè)器。其探測(cè)原理是當(dāng)相對(duì)論性帶電粒子穿過(guò)純水或凈水時(shí)的速度大于光在水中的相速度時(shí)，會(huì)發(fā)出水切倫科夫光，此時(shí)在純水或凈水中裝上大口徑的光電倍增管，來(lái)收集水切倫科夫光。能量較低的粒子進(jìn)入探測(cè)器中很快消耗其能量，停止了下來(lái)，此時(shí)其能量與其在探測(cè)器中行程長(zhǎng)度成正比。而能量較高的粒子進(jìn)入探測(cè)器中不但有較長(zhǎng)的行程，而且還會(huì)發(fā)生二次簇射，產(chǎn)生更多的新粒子，新粒子的數(shù)目與入射粒子的能量成正比，此時(shí)通過(guò)測(cè)定探測(cè)器中產(chǎn)生的水切倫科夫光，就可以測(cè)定入射粒子數(shù)目及其總能量?？偟貋?lái)說(shuō)，產(chǎn)生的水切倫科夫光與入射粒子的數(shù)目及所有粒子的總行程是成正比的。如上面所介紹的水切倫科夫探測(cè)器，雖然用廉價(jià)的水代替了昂貴的閃爍體，使得成本有所降低，但另一方面，目前大型水切倫科夫光探測(cè)器的性能，也仍有很多不盡人意的地方，比如1、帶電粒子在水中通過(guò)時(shí)每厘米僅發(fā)出300個(gè)左右的光子(閃爍體中，粒子每厘米行程可發(fā)出10000個(gè)光子)，因此，在水中收集光需要較大的光電倍增管的直徑(増大采光面積)，然而大口徑光電倍增管(直徑50cm)價(jià)格是小口徑光電倍增管(直徑5cm)的十倍以上。而且，大口徑光電倍増管本身的體積過(guò)大，在小型探測(cè)器方面根本無(wú)法使用。2、但高速帶電粒子在水中產(chǎn)生水切倫科夫光，水切倫科夫光的行進(jìn)方向與粒子的行進(jìn)方向成40度角。高速帶電粒子每通過(guò)I厘米的純水或凈水，發(fā)出300個(gè)左右的光子，因此，在行進(jìn)方向中心的部分有較高密度的水切倫科夫光，而遠(yuǎn)離行進(jìn)方向中心的地方則密度較小或沒(méi)有水切倫科夫光存在，因此在探測(cè)器中不同的部位探測(cè)到的水切倫科夫光的數(shù)目有較大的差異。3、目前已有的水切倫科夫?qū)嶒?yàn)，只是由其単元探測(cè)器在ー個(gè)平面上構(gòu)成單層的探測(cè)器陣列。單層的探測(cè)器陣列不具備辨別粒子種類(lèi)的能力，無(wú)法區(qū)分進(jìn)入探測(cè)器的帶電粒子種類(lèi)，如電子，U子，強(qiáng)子等。目前使用的水切倫科夫光探測(cè)器主要有日本人開(kāi)發(fā)的大型地下水切倫科夫光U子探測(cè)器和美國(guó)人開(kāi)發(fā)的地面水切倫科夫光粒子量能器，及冰中或水中探測(cè)。
日本人開(kāi)發(fā)的大型地下水切倫科夫光U子探測(cè)器，其結(jié)構(gòu)如附圖1所示地下ii子探測(cè)器陣列是由眾多混凝土水池單元構(gòu)成，每個(gè)混凝土水池單元為7. 2mX7. 2mX1. 5m，其表面覆蓋有2. 5米厚的土層，水池內(nèi)表面涂有白色的反射層，水池的頂部中間有兩個(gè)20英寸(直徑50cm)的光電倍增管(PMT)。地下水切倫科夫光U子探測(cè)器構(gòu)成的陣列，如附圖2中黒色部分所示，每ー個(gè)黒色部分即代表一個(gè)大的水池，共12個(gè)大型水池；每個(gè)水池分割成16個(gè)單元，每個(gè)單元即是一臺(tái)地下U子探測(cè)器，總共有192臺(tái)地下U子探測(cè)器。當(dāng)帶電粒子在介質(zhì)中速度超過(guò)光在該介質(zhì)中的速度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生切倫科夫光。該探測(cè)器就是利用PMT收集帶電粒子在水中產(chǎn)生的切倫科夫光來(lái)探測(cè)進(jìn)入探測(cè)器的帶電粒子數(shù)目。該探測(cè)器設(shè)計(jì)成位于地下2. 5m深。2. 5m厚的土層可以過(guò)濾掉絕大多數(shù)非特高能的電磁成分粒子(電子，Y等)，只有較高能U子(1.3GeV)能穿過(guò)土層，所以具有探測(cè)1.3GeV以上能量y子的功能。該探測(cè)器只有單層結(jié)構(gòu)，故無(wú)法記錄粒子進(jìn)入探測(cè)器不同深度階段的物理圖像，無(wú)法分辨進(jìn)入探測(cè)器的粒子的種類(lèi)(如Y，電子，U子，強(qiáng)子等等)。美國(guó)人開(kāi)發(fā)的高海抜水切倫科夫探測(cè)器(HAWC)，其結(jié)構(gòu)如附圖3所示。高海拔水切倫科夫光探測(cè)器是ー個(gè)直徑7. 3m,高4. 3m的水罐子，其中注滿(mǎn)水。在水箱的底部，有4個(gè)向上的PMT (直徑20cm左右)，分別是中間ー個(gè)10英寸的PMT和外圍三個(gè)8英寸的PMT。高海抜水切倫科夫探測(cè)器構(gòu)成的陣列，如附圖4所示，其中每個(gè)圓形表示一臺(tái)水切倫科夫光探測(cè)器。探測(cè)器陣列的尺寸是150米X 115米，總共由300臺(tái)水切倫科夫探測(cè)器構(gòu)成。其設(shè)計(jì)理念是通過(guò)較厚的水來(lái)測(cè)量入射粒子的能量。由于每臺(tái)探測(cè)器中只有4個(gè)PMT，如果粒子行進(jìn)方向中心剛好是在4個(gè)PMT的位置上，則可以測(cè)得較大光量，反之則測(cè)得較小光量或測(cè)不到光量。因此，粒子在探測(cè)器上的入射位置及方向不同，就造成很大的測(cè)量誤差，即通常所稱(chēng)的探測(cè)器的位置依存性。為了降低探測(cè)器位置依存性，通常可以在水箱的內(nèi)部增加光反射層，對(duì)光進(jìn)行多次的漫反射，使得水切倫科夫光在水中均勻分布來(lái)消除探測(cè)器位置依存性造成的粒子數(shù)或能量測(cè)量誤差。但由于探測(cè)器必須同時(shí)探測(cè)另一重要的物理量，及粒子到達(dá)探測(cè)器的時(shí)間，直徑7. 3m,高4. 3m的水罐子從粒子到達(dá)水罐子的水面開(kāi)始計(jì)算，其到達(dá)PMT的行程是不同的，差異可以達(dá)到米的量級(jí)，而I米的差異將產(chǎn)生4納秒的時(shí)間測(cè)量差異，此時(shí)若在內(nèi)壁増加反射材料，直接入射和漫反射光子到達(dá)PMT的到達(dá)時(shí)間差將達(dá)到十個(gè)納秒以上，這是粒子探測(cè)器所無(wú)法忍受的。這兩難的選擇，使得美國(guó)人只好采用探測(cè)器內(nèi)不涂反射材料的方案。還有ー種對(duì)水切倫科夫光探測(cè)方法是在深?；蚰蠘O的冰層中(冰面或水面千米以下)用繩子直接吊入一串串的光電倍增管，來(lái)對(duì)水切倫科夫光進(jìn)行觀(guān)測(cè)，但是這種方法的結(jié)構(gòu)過(guò)于龐大，非常昂貴，而且光收集效率也非常低，測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。因此目前水切倫科夫光探測(cè)器具有對(duì)對(duì)粒子到達(dá)時(shí)間，粒子數(shù)目及粒子能量的測(cè)量不精確等缺點(diǎn)，特別是探測(cè)器不具備辨別粒子種類(lèi)的能力，無(wú)法區(qū)分進(jìn)入探測(cè)器的帶電粒子如電子、U子、強(qiáng)子等。而這些功能是檢測(cè)一臺(tái)探測(cè)器性能的最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)。所以，本發(fā)明提出ー種gamma射線(xiàn)與宇宙線(xiàn)的探測(cè)裝置與方法，解決上述問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明中提出ー種ga_a射線(xiàn)與宇宙線(xiàn)的探測(cè)裝置，包括多臺(tái)水切倫科夫光粒子探測(cè)器，水切倫科夫光粒子探測(cè)器是本發(fā)明的基本探測(cè)單元，所述水切倫科夫光粒子探測(cè)器包括水切倫科夫光產(chǎn)生裝置、光收集裝置、光電轉(zhuǎn)換裝置、數(shù)據(jù)獲取裝置所述光收集裝置包括貼在水切倫科夫光產(chǎn)生裝置內(nèi)表面上的漫反射膜或其他反射材料及固定于水切倫科夫光產(chǎn)生裝置內(nèi)部的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光纖；所述水切倫科夫光產(chǎn)生裝置包括密閉的水箱或水袋；在所述水箱或水袋外表面上具有遮光層；所述的多臺(tái)水切倫科夫光粒子探測(cè)器在水體中布置為多層立體，隔斷式探測(cè)陣列。所述的漫反射膜為tyvek膜或其他反射材料，反射率在80%以上。所述的光電轉(zhuǎn)換裝置為光電倍増管，固定于水箱或水袋內(nèi)部；所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光纖的切ロ對(duì)準(zhǔn)光電倍增管的光陰極面；光電倍增管輸出的電信號(hào)通過(guò)信號(hào)線(xiàn)輸送到數(shù)據(jù)獲取裝置。水切倫科夫光產(chǎn)生裝置注滿(mǎn)純水或凈水后固定在水體中；所述的水體為湖泊、水庫(kù)或人工水體。所述的探測(cè)器陣列呈立方體均勻分布或非均勻分布。探測(cè)器陣列中不同層的間距可以是相同或不同的，每ー層的水切倫科夫光粒子探測(cè)器呈矩形均勻分布或非均勻分布。所述水切倫科夫光產(chǎn)生裝置還可以包括水浄化裝置，用于為水切倫科夫光產(chǎn)生裝置提供純水或浄水。本發(fā)明還提出ー種利用權(quán)利要求1所述的探測(cè)裝置探測(cè)ga_a射線(xiàn)與宇宙線(xiàn)的方法所述探測(cè)過(guò)程為高能粒子射入水切倫科夫光探測(cè)器，裝置內(nèi)部的水會(huì)產(chǎn)生切倫科夫光，所述光被光收集裝置收集，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)獲取裝置，數(shù)據(jù)獲取裝置輸出獲取的數(shù)據(jù)。其次，所述的水切倫科夫光產(chǎn)生裝置為注水的水袋或水箱，切倫科夫光在水箱或水袋傳播過(guò)程中被探測(cè)器內(nèi)表面的反射材料所漫反射；所述的光收集裝置包括均勻分布的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光纖；波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光纖收集的光子其波長(zhǎng)被轉(zhuǎn)換為易于傳輸?shù)墓獠⑼ㄟ^(guò)光纖傳輸；入射到所述光電轉(zhuǎn)換裝置的光電倍增管(PMT)的光陰極面；光子在光電倍增管中轉(zhuǎn)換為電子并倍增放大，到達(dá)光電倍増管陽(yáng)極。光電倍增管陽(yáng)極輸出的電信號(hào)通過(guò)信號(hào)線(xiàn)傳送到數(shù)據(jù)獲取裝置，經(jīng)過(guò)觸發(fā)、判選、幅數(shù)轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)到磁盤(pán)上；磁盤(pán)上的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)離線(xiàn)刻度、重建后生成可用于分析的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。水切倫科夫光探測(cè)器注滿(mǎn)水后安裝在大水體中；高壓電源在地面上通過(guò)高壓線(xiàn)給光電轉(zhuǎn)換裝置提供高壓。所述光電轉(zhuǎn)換裝置包括光電倍增管、光電倍增管固定架、光電倍增管分壓電路、高壓電源、高壓線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)。光電倍增管的針腳與分壓回路連接；分壓回路外接高壓線(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)；高壓電源通過(guò)高壓線(xiàn)給光電倍增管提供工作電壓，光電倍增管輸出的電信號(hào)通過(guò)信號(hào)線(xiàn)輸送到數(shù)據(jù)獲取裝置。所述數(shù)據(jù)獲取裝置包括快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(FADC)、通用計(jì)算機(jī)總線(xiàn)(VME)、核儀器插件系統(tǒng)(NIM系統(tǒng))、觸發(fā)判選和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。所述水箱或水袋外表面附有ー層黑色的遮光層，所述遮光層在水箱外側(cè)，高速帶電粒子射入水箱或水袋內(nèi)部，在水箱或水袋內(nèi)部的水中產(chǎn)生光子，水箱或水袋完全遮光，防止水箱或水袋外部的光子進(jìn)入水箱或水袋，造成干擾；內(nèi)表面附有tyvek膜或其他反射材料，能夠漫反射80%以上的光子。所述水箱或水袋本身能夠密封純水或凈水，防止水質(zhì)變壞。帶電粒子入射到裝滿(mǎn)純水或凈水的水箱或水袋中，其速度超過(guò)光在水中的相速度，會(huì)產(chǎn)生切倫科夫光，約300個(gè)/厘米。切倫科夫光在水箱或水袋傳播過(guò)程中被漫反射，會(huì)趨于均勻分布，被同樣均勻分布的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光纖所收集，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光纖收集的光子通過(guò)光纖傳輸，入射到光電倍增管(PMT)的光陰極面。光子在光電倍增管中轉(zhuǎn)換為電子并倍増放大，到達(dá)光電倍増管陽(yáng)極。光電倍增管陽(yáng)極輸出的電信號(hào)通過(guò)信號(hào)線(xiàn)傳送到數(shù)據(jù)獲取裝置，經(jīng)過(guò)觸發(fā)、判選、幅數(shù)轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)到磁盤(pán)上。磁盤(pán)上的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)離線(xiàn)刻度、重建后生成可用于分析的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。探測(cè)器陣列能夠區(qū)分次級(jí)粒子種類(lèi)的原理一個(gè)高能粒子進(jìn)入大氣層時(shí)，會(huì)與大氣中的核產(chǎn)生相互作用形成簇射。簇射產(chǎn)生很多的次級(jí)粒子，例如Y，電子、U子、各種強(qiáng)子。簇射的發(fā)生過(guò)程是由小發(fā)展到極大，由極大再慢慢衰減。空氣簇射產(chǎn)生的次級(jí)粒子到達(dá)ga_a射線(xiàn)與宇宙線(xiàn)的探測(cè)裝置后,也會(huì)與水相互作用再次形成簇射。由于粒子種類(lèi)、粒子的能量不同，所以產(chǎn)生簇射的開(kāi)始位置，極大位置，結(jié)束位置也不相同。立體的gamma射線(xiàn)與宇宙線(xiàn)的探測(cè)裝置能夠記錄立體多維的物理信息，這些物理信息經(jīng)過(guò)處理后就可再現(xiàn)出各個(gè)探測(cè)到來(lái)的粒子的簇射開(kāi)始位置，結(jié)束位置，及不同層中粒子數(shù)的分布情況。這樣就可鑒別次級(jí)粒子的種類(lèi)。如附圖5所示，不同種類(lèi)粒子在探測(cè)器陣列中形成的物理信息圖像是不同的。比如對(duì)于低能電磁成分(Y，土e等)，粒子ー進(jìn)入探測(cè)器立即就有信號(hào)被探測(cè)，其信號(hào)從小到大再趨于消亡，只有上面幾層探測(cè)器能探測(cè)到物理信息；對(duì)于高能電磁成分，其物理圖像累類(lèi)似于上述圖像，但其進(jìn)入探測(cè)器層數(shù)明顯要大。對(duì)于強(qiáng)子成分，由于強(qiáng)子的相互作用截面比較小，在水較深的地方開(kāi)始簇射產(chǎn)生次級(jí)粒子，所以上部幾層會(huì)探測(cè)到物理信號(hào)，但是信號(hào)比較小，只有底部的幾層探測(cè)器能夠測(cè)量到較大的物理信號(hào)；對(duì)于繆子，探測(cè)器陣列的每ー層都可以測(cè)量到單粒子信號(hào)，即每層的信號(hào)都不大，但幾乎其信號(hào)大小都相同。根據(jù)不同層探測(cè)器測(cè)量到的物理信號(hào)的大小變化及位置分布等，可以從而分辨出宇宙線(xiàn)粒子的種類(lèi)。例如某時(shí)刻探測(cè)器陣列的每ー層都能探測(cè)到物理信號(hào)，并且物理信號(hào)的大小都幾乎相同，我們就可認(rèn)為本次探測(cè)器探測(cè)到的宇宙線(xiàn)次級(jí)粒子是ー個(gè)繆子。有益效果本發(fā)明所述的gamma射線(xiàn)與宇宙線(xiàn)的探測(cè)裝置與方法，在探測(cè)原理和結(jié)構(gòu)上做了重大改進(jìn)，采用新的光收集技術(shù)和立體式觀(guān)測(cè)手段，能夠收集多維信息，彌補(bǔ)了現(xiàn)有水切倫科夫探測(cè)器的缺點(diǎn)。其有益效果主要體現(xiàn)以下幾個(gè)方面I)本發(fā)明所述的ga_a射線(xiàn)與宇宙線(xiàn)的探測(cè)裝置與方法，其是由數(shù)千臺(tái)水切倫科夫光粒子探測(cè)器在水體中組成的多層探測(cè)陣列。其具有多層立體式，隔斷式結(jié)構(gòu)，使得該探測(cè)器陣列能夠探測(cè)并記錄粒子在探測(cè)器中與水發(fā)生作用而留下的多維的物理信息，改變了現(xiàn)有探測(cè)器平面探測(cè)的局限性。從而使該探測(cè)器能夠區(qū)別粒子的種類(lèi)，有效區(qū)分不同的電子，U子，強(qiáng)子等粒子。2)水切倫科夫光粒子探測(cè)器是本發(fā)明中的基本探測(cè)單元。其首次在水中使用波長(zhǎng)變換光纖來(lái)收集帶電粒子在水中產(chǎn)生的切倫科夫光子。在探測(cè)器中均勻地鋪設(shè)波長(zhǎng)變換光纖，改變現(xiàn)有探測(cè)器僅用光電倍增管收集光的缺點(diǎn)，不但對(duì)探測(cè)器內(nèi)的水切倫科夫光可以起到均勻收集的作用，同時(shí)大大増加了收集光子的有效面積。波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光纖代替光電倍增管來(lái)收集水切倫科夫光，從根本上排除探測(cè)器的位置依存性而造成的較大的測(cè)量誤差。本發(fā)明的方法大幅降低了探測(cè)器對(duì)粒子數(shù)目測(cè)量及到達(dá)時(shí)間測(cè)量的位置依存性。3)在湖泊、河流、水庫(kù)等水體中直接放入內(nèi)置水切倫科夫光探測(cè)器的水箱或水袋的設(shè)計(jì)，構(gòu)成立體式，隔斷式的“水中的水切倫科夫光探測(cè)器”，避免了混凝土水池或其他材料水罐的建設(shè)制作的大量費(fèi)用，使探測(cè)器的制作成本降低。4)本發(fā)明中使用的基本探測(cè)單元——水切倫科夫光粒子探測(cè)器利用波長(zhǎng)變換光纖收集切倫科夫光。收集的切倫科夫光通過(guò)光纖匯聚到光電倍增管。所以小口徑光電倍增管就能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)需求，不必再使用大口徑光電倍増管，大大降低了成本(直徑50cm PMT4萬(wàn)/個(gè)，直徑5cm PMT 0. 2萬(wàn)/個(gè))。同吋，該探測(cè)器使用小口徑光電倍增管，從而使得小型和薄型探測(cè)器上也可采用該技木。(大口徑PMT直徑達(dá)20cm以上，厚度30cm以上，通常適用于厚度Im以上，単元面積10平方米以上的大型探測(cè)器)。5)本發(fā)明中基本探測(cè)單元——水切倫科夫光粒子探測(cè)器是密封遮光的，其內(nèi)部與外部相隔斷，探測(cè)器外部的光子與內(nèi)部的光子不會(huì)相互干擾。所以探測(cè)器探測(cè)到的粒子數(shù)目非常準(zhǔn)確，從而其能量測(cè)量精度很高。探測(cè)器的高度(即厚度)較小，只有0. 3 2m，在水體中構(gòu)成多層立體式陣列，這樣的高度范圍數(shù)值減少了漫反射層對(duì)粒子到達(dá)時(shí)間測(cè)量精度影響，使探測(cè)器的時(shí)間測(cè)量精度得到了提高。本發(fā)明中采用的薄層隔斷式的多層立體結(jié)構(gòu)，大大提高了粒子的到達(dá)時(shí)間和能量的測(cè)量精度。6)如附圖6所示，該發(fā)明中基本探測(cè)單元——水切倫科夫光粒子探測(cè)器對(duì)傳統(tǒng)閃爍體探測(cè)器的替代同樣非常成功，本發(fā)明可以利用波長(zhǎng)變換光纖收集探測(cè)器中產(chǎn)生的數(shù)目較少的水切倫科夫光，達(dá)到以廉價(jià)的純凈水代替高價(jià)的閃爍體的目的，每平方米探測(cè)器造價(jià)節(jié)省2萬(wàn)人民幣左右。當(dāng)然，在寒冷氣候環(huán)境下，純凈水存在結(jié)冰的問(wèn)題，對(duì)此我們只要對(duì)探測(cè)器外部加上l-15cm厚的泡沫保溫材料，并在探測(cè)器內(nèi)部安裝ー個(gè)自動(dòng)加熱裝置，當(dāng)探測(cè)器內(nèi)溫度接近零度時(shí)開(kāi)始加熱，高于5度左右時(shí)停止加熱。7)在高能Y線(xiàn)觀(guān)測(cè)中，由于高能Y射線(xiàn)的數(shù)量只有原初宇宙線(xiàn)(大部分為質(zhì)子簡(jiǎn)稱(chēng)P)的千分之一左右，所以探測(cè)器陣列的Y/P鑒別能力是探測(cè)器性能的優(yōu)劣判斷的最重要依據(jù)。Y/P鑒別能力即是在保留50%以上的Y射線(xiàn)時(shí)，能夠去除原初宇宙線(xiàn)本底(P)的能力。去除的宇宙線(xiàn)本底越多，Y/P鑒別能力越好。附圖7是Y/P鑒別能力與能量的關(guān)系圖，如圖所示，與廣延大氣簇射探測(cè)器陣列(ASy)和高海抜水切倫科夫?qū)嶒?yàn)(HAWC)相比，本發(fā)明所述的探測(cè)器陣列具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能量在500GeV附近，本發(fā)明所述的探測(cè)器陣列能夠去除99. 94%的原初宇宙線(xiàn)，同時(shí)在2TeV左右，能夠達(dá)到“Back GroundfreeI觀(guān)測(cè)水平，即完全去除原初宇宙線(xiàn)本底的影響。附圖8是探測(cè)器對(duì)Y線(xiàn)觀(guān)測(cè)的靈敏度曲線(xiàn)示意圖，既在達(dá)到I年5 O的超出(未達(dá)到“Back Groundfree”水平時(shí))或I年觀(guān)測(cè)到10個(gè)事例(達(dá)到“ BackGroundfree”水平時(shí))時(shí),能觀(guān)測(cè)到的高能、射線(xiàn)的最小流強(qiáng)。在圖中對(duì) 本發(fā)明所述的探測(cè)器陣列的靈敏度和其他各家實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較?？梢钥闯?，我們的探測(cè)器靈敏度比現(xiàn)有探測(cè)器敏感度提高了 10倍以上。這意味著其他探測(cè)器要達(dá)到我們探測(cè)器的敏感度，他們需要把他們的探測(cè)器面積在現(xiàn)有水平擴(kuò)大100倍。鑒于探測(cè)器的價(jià)格昂貴，那幾乎是不可能的。


附圖1 :地下ii子探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖附圖2 :地下y子探測(cè)器構(gòu)成的陣列示意圖(黒色部分)附圖3 :高海拔水切倫科夫探測(cè)器(HAWC)的結(jié)構(gòu)示意圖附圖4 :高海抜水切倫科夫探測(cè)器(HAWC)構(gòu)成的陣列示意圖附圖5 :gamma射線(xiàn)與宇宙線(xiàn)的探測(cè)裝置與方法能夠區(qū)別粒子的種類(lèi)的原理示意圖
附圖6 :基本探測(cè)單元中用純水或凈水替代閃爍體的示意圖附圖7 : Y /P鑒別能力與能量的關(guān)系圖附圖8 :靈敏度曲線(xiàn)示意圖附圖9 gamma射線(xiàn)與宇宙線(xiàn)的探測(cè)裝置的示意圖(實(shí)施方式一)附圖10 :gamma射線(xiàn)與宇宙線(xiàn)的探測(cè)裝置的示意圖(實(shí)施方式ニ)附圖11 :基本探測(cè)單元——水切倫科夫光粒子探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖(實(shí)施方案一)附圖12 :基本探測(cè)單元——水切倫科夫光粒子探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖(實(shí)施方案ニ)附圖13(a):性能標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的示意圖附圖13(b):性能標(biāo)定試驗(yàn)中水切倫科夫探測(cè)器測(cè)量的信號(hào)附圖13(c):性能標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中水切倫科夫探測(cè)器測(cè)量的信號(hào)與空氣簇射軸芯探測(cè)器(YAC)測(cè)量的信號(hào)的關(guān)系圖附圖14(a):粒子入射到水切倫科夫探測(cè)器不同位置時(shí)引起的測(cè)量誤差附圖14(b):探測(cè)器對(duì)粒子到來(lái)方向的測(cè)量精度附圖14(c):探測(cè)器對(duì)粒子能量測(cè)量精度附圖標(biāo)記的說(shuō)明I湖泊、水庫(kù)或人造水體2水切倫科夫光粒子探測(cè)器的頂部3水切倫科夫光粒子探測(cè)器的底部4水切倫科夫光粒子探測(cè)器的側(cè)邊5遮光層6水箱或水袋的壁7tyvek 膜8光電倍增管9高壓線(xiàn)10信號(hào)線(xiàn)11進(jìn)出水管12高壓電源13數(shù)據(jù)獲取的電子學(xué)儀器14水浄化裝置15 出氣ロ16呈均勻或放射狀分布的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)化光纖本發(fā)明實(shí)施方式一
如附圖9所示，在廣闊且足夠深的湖泊、水庫(kù)或人工水體等水體中，為數(shù)眾多的水切倫科夫光粒子探測(cè)器構(gòu)成一個(gè)多層立體式，隔斷式的探測(cè)器陣列。湖泊、水庫(kù)或人工水體其實(shí)本身就是ー個(gè)大探測(cè)器，而我們放入的水切倫科夫光粒子探測(cè)器則成為了探測(cè)器中的探測(cè)器。探測(cè)器陣列可設(shè)置成3 10層，層與層的間距為0. 2米 5米，探測(cè)器陣列中不同的層間距與同層探測(cè)器的間距是可調(diào)的。每ー層的水切倫科夫光粒子探測(cè)器呈矩形均勻分布或呈放射狀非均勻分布。同一層中，単元探測(cè)器的間距為1.5米 15米，按觀(guān)測(cè)目標(biāo)不同，可以設(shè)置成更大距離。通常在探測(cè)器陣列中心単元探測(cè)器分布較緊密，在探測(cè)器陣列外圍單元探測(cè)器分布稀疏。本發(fā)明實(shí)施方式ニ作為ー種可選的實(shí)施方式，在實(shí)驗(yàn)的預(yù)先研究中，先構(gòu)筑ー個(gè)簡(jiǎn)單的探測(cè)器陣列樣機(jī)，如附圖10所示。人工建造ー個(gè)水池，水池的底面是ー個(gè)邊長(zhǎng)5米的矩形，水池的高度是4米。在水池中建造4臺(tái)水切倫科夫光粒子探測(cè)器，每臺(tái)水切倫科夫光粒子探測(cè)器的底面邊長(zhǎng)是4米，高0. 5米。4臺(tái)水切倫科夫光粒子探測(cè)器布置成4層，層與層的間距是0. 5米，最上面一臺(tái)的上表面距水面0. 5米。本探測(cè)器樣機(jī)陣列中每臺(tái)水切倫科夫光粒子探測(cè) 器的高度只有0. 5m，甚至可以做的更薄，從而可以實(shí)現(xiàn)水切倫科夫探測(cè)器的小型化，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的塑料閃爍體探測(cè)器，大大降低了成本。本發(fā)明所述的基本探測(cè)單元——水切倫科夫光粒子探測(cè)器的具體實(shí)施方式
可分為ニ種A、水切倫科夫光粒子探測(cè)器實(shí)施方式一水切倫科夫光粒子探測(cè)器的結(jié)構(gòu)如附圖11所示1是湖泊、水庫(kù)或人造水體，水切倫科夫光粒子探測(cè)器放置在其中的固定架上。2是水切倫科夫光粒子探測(cè)器的頂部，3是水切倫科夫光粒子探測(cè)器的底部，4是水切倫科夫光粒子探測(cè)器的側(cè)邊。水切倫科夫光粒子探測(cè)器的水箱或水袋的外殼是由三部分構(gòu)成5是ー層遮光層，防止探測(cè)器漏光；6是水箱或水袋的壁，能夠密封純水或浄水，防止水質(zhì)變差；7是tyvek膜或其他反射材料，其光的反射率在80%以上。16是呈均勻或非均勻分布的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光纖，其配置能到達(dá)水切倫科夫光粒子探測(cè)器底部絕大部分面積，用于收集水切倫科夫光粒子探測(cè)器中產(chǎn)生的水切倫科夫光。8是光電倍増管，其與分壓回路連接后進(jìn)行封裝(防止進(jìn)水)，封裝后僅露出光電倍增管的光陰極面和高壓線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)接頭(高壓線(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)接頭需単獨(dú)封裝)。封裝的光電倍增管固定在固定架上。光電倍增管在高電壓下工作，能夠?qū)⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大。波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光纖束成一束后垂直對(duì)準(zhǔn)光電倍增管的光陰極面，光纖的切ロ與光陰極面的間距為0.1 I厘米。9是高壓線(xiàn)，10是信號(hào)線(xiàn)，11是進(jìn)出水管。12是高壓電源，它通過(guò)高壓線(xiàn)給光電倍增管提供工作電壓。13是數(shù)據(jù)獲取的電子學(xué)儀器。光電倍增管陽(yáng)極輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)線(xiàn)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)獲取的電子學(xué)儀器，經(jīng)過(guò)其觸發(fā)判選、幅數(shù)轉(zhuǎn)換等處理后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到磁盤(pán)中。14是水浄化裝置，它生產(chǎn)純水或浄水，并注入到水箱或水袋中。15是出氣ロ，用于在注水時(shí)排出氣體。水切倫科夫光粒子探測(cè)器整體尺寸與其內(nèi)部各個(gè)部件的尺寸水切倫科夫光粒子探測(cè)器的邊長(zhǎng)可為0. 5 10米，邊長(zhǎng)最優(yōu)尺寸為I 5米；高度為0. 3 2米。水箱或水袋的壁厚為0.1 2厘米。光纖的直徑為0. 5-5毫米，每根的長(zhǎng)度0. 3 10米，可以根據(jù)探測(cè)器對(duì)到達(dá)時(shí)間的測(cè)量精度的要求進(jìn)行調(diào)整，光纖均勻或非均勻地安置在水箱或水袋中，其間距為Icm到幾十cm，可根據(jù)PMT的放大倍數(shù)等性能及對(duì)入射粒子數(shù)或能量測(cè)量精度要求不同可以靈活調(diào)整。光電倍增管的直徑可以為I 15cm。水切倫科夫光粒子探測(cè)器的最優(yōu)高度為0. 3 lm。用高度是0. 3 Im的薄層式探測(cè)器來(lái)代替類(lèi)似HAWC試驗(yàn)中4. 5m高的水箱是為了保證粒子的到達(dá)時(shí)間和能量測(cè)量的準(zhǔn)確性。HAWC實(shí)驗(yàn)使用4. 5m高的水箱，為了提高測(cè)量粒子的到達(dá)時(shí)間精度而不用漫反射層，這樣提高了時(shí)間測(cè)量的準(zhǔn)確性卻降低了粒子的數(shù)目及能量測(cè)量精度。本發(fā)明中使用薄層探測(cè)器，探測(cè)器內(nèi)部使用漫反射層既保證了粒子的能量測(cè)量精度也不會(huì)降低粒子的時(shí)間測(cè)量精度。水切倫科夫光粒子探測(cè)器工作流程首先是組裝水切倫科夫光粒子探測(cè)器，必須做到不漏光，不漏水。安裝完畢后，開(kāi)動(dòng)凈水裝置，生產(chǎn)純水或浄水。水箱或水袋中注滿(mǎn)純水或浄 水后撤掉凈水裝置，并將進(jìn)水ロ密封。啟動(dòng)高壓電源給光電倍増管提供工作電壓，光電倍增管輸出電信號(hào)通過(guò)電子學(xué)儀器將數(shù)據(jù)獲取并記錄。高速帶電粒子進(jìn)入水箱或水袋中，其在水中的速度將超過(guò)光在水中的速度，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生水切倫科夫光，約300個(gè)/厘米。由于水箱或水袋的內(nèi)層是ー層高反射率的tyvek膜，所以產(chǎn)生的切倫科夫光經(jīng)漫反射后在水中自由無(wú)規(guī)律傳播，直至衰減消失。光子在較純凈的水中傳播衰減為原來(lái)數(shù)目1/e時(shí)在純凈水中通過(guò)的距離大約是15米以上。波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光纖在水箱或水袋中呈均勻或非均勻分布，延伸到探測(cè)器面積的95%以上。如此，切倫科夫光在多次反射傳播過(guò)程中就可能均勻碰觸到波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光纖的表面，進(jìn)而被波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光纖吸收。被吸收的光子轉(zhuǎn)換為波長(zhǎng)更易在光纖中傳輸?shù)墓庾?，其波長(zhǎng)約為450 600納米。轉(zhuǎn)換后的光子經(jīng)過(guò)光纖傳輸?shù)焦饫w切ロ，進(jìn)而射到光電倍增管的光陰極面。光陰極面到達(dá)的光子中的30%左右轉(zhuǎn)換為光電子。光明極面產(chǎn)生的光電子經(jīng)過(guò)光電倍増管的各個(gè)打拿極的倍増放大形成大量的電子匯聚到光電倍增管的陽(yáng)極。此時(shí)光子信號(hào)就被轉(zhuǎn)化為可被電子學(xué)測(cè)量的電信號(hào)。光電倍增管陽(yáng)極的電信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)線(xiàn)輸送到數(shù)據(jù)獲取的電子學(xué)儀器。在電子學(xué)儀器中，電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波、觸發(fā)判選、幅數(shù)轉(zhuǎn)換等處理后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到磁盤(pán)中。磁盤(pán)中的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)離線(xiàn)刻度、數(shù)據(jù)重建即可成為可用于物理分析的數(shù)據(jù)。B、水切倫科夫光粒子探測(cè)器實(shí)施方式ニ在實(shí)施方式一的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，水箱或水袋的內(nèi)層的tyvek膜具有很好的反射率，當(dāng)探測(cè)器中的水質(zhì)足夠好時(shí)(如光衰減長(zhǎng)度大于15米)，也可以不采用波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光纖，而采用較大直徑的PMT (如IOcm左右的PMT)直接在水箱或水袋中收集切倫科夫光，當(dāng)然對(duì)于單粒子入射時(shí)檢出率會(huì)由采用波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光纖時(shí)的80%降低到30%左右，但對(duì)于多粒子或大能量粒子的測(cè)量，影響則不是很大，鑒于節(jié)省制作成本的考慮，及實(shí)際實(shí)驗(yàn)要求，方式ニ也成為ー個(gè)可行的選擇。水切倫科夫光粒子探測(cè)器的結(jié)構(gòu)如附圖12所示，I是湖泊、水庫(kù)或人造水體，水切倫科夫光粒子探測(cè)器放置在其中的固定架上。2是水切倫科夫光粒子探測(cè)器的頂部，3是水切倫科夫光粒子探測(cè)器的底部，4是水切倫科夫光粒子探測(cè)器的側(cè)邊。水切倫科夫光粒子探測(cè)器的水箱或水袋的外殼是由三部分構(gòu)成5是ー層遮光層，防止探測(cè)器漏光；6是水箱或水袋的壁，能夠密封純水或凈水，防止水質(zhì)變差；7是tyvek膜，其光的反射率在80%以上。8是光電倍増管，其與分壓回路連接后進(jìn)行封裝(防止浸水)，封裝后僅露出光電倍增管的光陰極面和高壓線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)接頭(高壓線(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)接頭需單獨(dú)封裝)。封裝的光電倍増管固定在固定架上，位置是在水切倫科夫光粒子探測(cè)器中間。光電倍增管在高電壓(-1200V -2500V)下工作，能夠?qū)⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大。9是高壓線(xiàn)，10是信號(hào)線(xiàn)，11是進(jìn)出水管。12是高壓電源，她通過(guò)高壓線(xiàn)給光電倍增管提供工作電壓。13是數(shù)據(jù)獲取的電子學(xué)儀器。光電倍增管陽(yáng)極輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)線(xiàn)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)獲取的電子學(xué)儀器，經(jīng)過(guò)其觸發(fā)判選、幅數(shù)轉(zhuǎn)換等后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到磁盤(pán)中。14是水凈化裝置，它生產(chǎn)純水或凈水，并注入到水箱或水袋中。15是出氣ロ。水切倫科夫光粒子探測(cè)器整體尺寸與其內(nèi)部各個(gè)部件的尺寸水切倫科夫光粒子探測(cè)器的邊長(zhǎng)可為0. 5 10米，邊長(zhǎng)最優(yōu)尺寸為I 5米；厚度(即高度)為0. 3 2米。水箱或水袋的壁厚為0.1 2厘米。光電倍增管的直徑為5 20cm,數(shù)量為I 4個(gè)。水切倫科夫光高能粒子探測(cè)器工作流程 水切倫科夫光高能粒子探測(cè)器安裝完畢后，開(kāi)動(dòng)凈水裝置，生產(chǎn)純水或浄水。水箱或水袋中注滿(mǎn)純水或浄水后撤掉凈水裝置，并將進(jìn)水口密封。啟動(dòng)高壓電源和數(shù)據(jù)獲取的電子學(xué)儀器，給光電倍増管提供工作電壓并獲取水切倫科夫光粒子探測(cè)器產(chǎn)生的電信號(hào)。高速帶電粒子攝入水箱或水袋中，若其在水中的速度超過(guò)光在水中的相速度，則就會(huì)產(chǎn)生水切倫科夫光，約300個(gè)/厘米。由于水箱或水袋的內(nèi)層是ー層ー層漫反射的tyvek膜或其他反射材料，所以產(chǎn)生的切倫科夫光可在水中傳播，并被反射材料反射后再傳播，直至衰減消失。光子在水中傳播衰減到原來(lái)1/e的距離大約是15米。光陰極面到達(dá)的光子中的30%左右轉(zhuǎn)換為光電子。光電子經(jīng)過(guò)各個(gè)打拿極的倍増放大形成大量的電子匯聚到光電倍增管的陽(yáng)極。此時(shí)大量的光子已經(jīng)是可被電子學(xué)測(cè)量的電信號(hào)。光電倍增管陽(yáng)極的電信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)線(xiàn)輸送到數(shù)據(jù)獲取的電子學(xué)儀器。在電子學(xué)儀器中，電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波、觸發(fā)判選、幅數(shù)轉(zhuǎn)換等處理后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到磁盤(pán)中。磁盤(pán)中的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)離線(xiàn)刻度、數(shù)據(jù)重建即可成為可用于物理分析的數(shù)據(jù)。C、水切倫科夫光粒子探測(cè)器實(shí)施方式三主要針對(duì)高海拔寒冷氣候而設(shè)計(jì)，在實(shí)施方式一和實(shí)施方式ニ的基礎(chǔ)上加入恒溫裝置，避免結(jié)冰。水切倫科夫光粒子探測(cè)器整體尺寸與其內(nèi)部各個(gè)部件的尺寸水切倫科夫光粒子探測(cè)器的邊長(zhǎng)可為0. 5 數(shù)米；厚度為0.1 I米。水箱或水袋的壁厚為0.1 2厘米。光纖的直徑為0. 5-5毫米，每根的長(zhǎng)度0. 2 2米，可以根據(jù)探測(cè)器對(duì)到達(dá)時(shí)間的測(cè)量精度進(jìn)行調(diào)整，光纖均勻設(shè)置于水箱或水袋中，其間距為Icm到幾十cm，可根據(jù)PMT的放大倍數(shù)等性能及對(duì)入射粒子數(shù)或能量測(cè)量精度要求不同可以靈活調(diào)整。光電倍增管的直徑可以為I 10cm。數(shù)量為I 2個(gè)(如配置不同型號(hào)的高，低增益PMT，已達(dá)到更大的測(cè)量量程)。如使用于低溫環(huán)境，探測(cè)器外部追加有保溫材料，其厚度5-15cm,內(nèi)部追加有自動(dòng)加熱裝置，當(dāng)探測(cè)器內(nèi)溫度接近零度時(shí)開(kāi)始加熱，高于5度左右時(shí)停止加熱。對(duì)于本發(fā)明中的基本探測(cè)單元一水切倫科夫光粒子探測(cè)器，已經(jīng)完成了小，中，大型樣機(jī)制作。大型樣機(jī)我們采用的是實(shí)施方式一。樣機(jī)使用水箱，其尺寸是邊長(zhǎng)X邊長(zhǎng)X高=3米X3米X I米,材料是1. 5厘米厚的聚氯こ烯(pvc)。水箱外表面的遮光層是黑色塑料膜，以保證水箱不會(huì)漏光。Tyvek膜與涂有防水漆的鐵絲網(wǎng)固定在一起后整體放置在水箱的內(nèi)表面。波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光纖呈放射狀分布在水箱內(nèi)部，其間距在I 3厘米。每根波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光纖長(zhǎng)3. 2米，總共100根。波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光纖與光電倍增管固定在固定架上。固定架吊在水箱的頂部。波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光纖距水箱底部約45厘米。光電倍增管通過(guò)高壓線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)與實(shí)驗(yàn)室中的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)相連。水箱中注入約50厘米的純水或浄水，然后用遮光層將水箱整體密封。為了評(píng)估水切倫科夫光粒子探測(cè)器樣機(jī)測(cè)量的準(zhǔn)確性，我們用加速器的粒子束流對(duì)探測(cè)器做了性能標(biāo)定。加速器產(chǎn)生的高速粒子束經(jīng)過(guò)法拉第杯、厚粒子室、薄粒子室、空氣簇射軸芯探測(cè)器(YAC)、水切倫科夫探測(cè)器。法拉第杯、厚粒子室、薄粒子室的標(biāo)定刻度銜接后就可絕對(duì)刻度空氣簇射軸芯探測(cè)器(YAC)和水切倫科夫探測(cè)器。其性能定標(biāo)實(shí)驗(yàn)如附圖13(a)所示，依次是加速器產(chǎn)生的粒子數(shù)、法拉第杯、厚粒子室、薄粒子室、空氣簇射軸芯探測(cè)器(YAC)、水切倫科夫探測(cè)器。附圖13(b)是水切倫科夫探測(cè)器測(cè)量的信號(hào)。附圖13(c)水切倫科夫探測(cè)器測(cè)量的信號(hào)與空氣簇射軸芯探測(cè)器(YAC)測(cè)量的信號(hào)的關(guān)系圖。附圖14(a)是粒子入射到水切倫科夫探測(cè)器樣機(jī)不同位置時(shí)引起的測(cè)量誤差。測(cè)量誤差為-35% +40%，這個(gè)測(cè)量誤差與HAWC相比是非常小的；附圖14(b)是探測(cè)器對(duì)粒子到來(lái)方向的測(cè)量精度。從附圖14(b)中可知，對(duì)于能量300GeV以上Y射線(xiàn)的到來(lái)方向決定精度為1. 75度。附圖14(c)是探測(cè)器對(duì)粒子能量測(cè)量精度。從附圖14(c)中可知，粒子能量在IOOGeV IOOOOGeV,粒子數(shù)之和(Sump )在100 1000時(shí)，粒子能量測(cè)量精度為30%。這個(gè)測(cè)量精度與HAWC相比是非常好的。綜上所述，新開(kāi)發(fā)的水切倫科夫光粒子探測(cè)器，現(xiàn)有的粒子探測(cè)器相比，大幅降低了成本，同時(shí)在粒子數(shù)目，粒子到達(dá)時(shí)間測(cè)量精度等性能上有了較大提高，特別是探測(cè)器對(duì)Y線(xiàn)的觀(guān)測(cè)的背景去除率及敏感度有了大幅提高，是綜合性能非常優(yōu)異的探測(cè)器。
權(quán)利要求
1.一種gama射線(xiàn)與宇宙線(xiàn)的探測(cè)裝置，包括多臺(tái)水切倫科夫光粒子探測(cè)器，所述水切倫科夫光粒子探測(cè)器包括水切倫科夫光產(chǎn)生裝置、光收集裝置、光電轉(zhuǎn)換裝置、數(shù)據(jù)獲取裝置，其特征在于所述光收集裝置包括貼在水切倫科夫光產(chǎn)生裝置內(nèi)表面上的漫反射膜及固定于水切倫科夫光產(chǎn)生裝置內(nèi)部的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光纖；所述水切倫科夫光產(chǎn)生裝置包括密閉的水箱或水袋；在所述水箱或水袋外表面上具有遮光層；所述的多臺(tái)水切倫科夫光粒子探測(cè)器在水體中布置為多層立體、隔斷式探測(cè)陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測(cè)裝置，其特征在于所述的漫反射膜為tyvek膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測(cè)裝置，其特征在于所述的光電轉(zhuǎn)換裝置為光電倍增管，固定于水箱或水袋內(nèi)部；所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光纖的切口對(duì)準(zhǔn)光電倍增管的光陰極面；光電倍增管輸出的電信號(hào)通過(guò)信號(hào)線(xiàn)輸送到數(shù)據(jù)獲取裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測(cè)裝置，水切倫科夫光產(chǎn)生裝置注滿(mǎn)純水或凈水后固定在大水體中；所述的大水體為湖泊、水庫(kù)或人工水體；所述水切倫科夫光產(chǎn)生裝置還包括水凈化裝置，用于為水切倫科夫光產(chǎn)生裝置提供純水或凈水。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測(cè)裝置，其特征在于所述的探測(cè)器陣列呈立方體均勻分布或放射狀非均勻分布。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測(cè)裝置，其特征在于探測(cè)器陣列中不同的層其層間距是不同的，每一層的水切倫科夫光粒子探測(cè)器呈矩形均勻分布或呈放射狀非均勻分布。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測(cè)裝置，其特征在于所述水切倫科夫光粒子探測(cè)器的高度設(shè)置為O. 3 lm，稱(chēng)為薄層式探測(cè)器。
8.一種利用權(quán)利要求1所述的探測(cè)裝置探測(cè)gamma射線(xiàn)與宇宙線(xiàn)的方法，其特征在于所述探測(cè)過(guò)程為帶電粒子射入水切倫科夫光產(chǎn)生裝置內(nèi)部，在水切倫科夫光產(chǎn)生裝置內(nèi)部的水中產(chǎn)生切倫科夫光，所述光被光收集裝置收集，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)獲取裝置，數(shù)據(jù)獲取裝置輸出獲取的數(shù)據(jù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述的水切倫科夫光產(chǎn)生裝置為水袋或水箱，切倫科夫光在水箱或水袋傳播過(guò)程中被漫反射；所述的光收集裝置包括均勻分布的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光纖；波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光纖收集的光子通過(guò)光纖傳輸；入射到所述光電轉(zhuǎn)換裝置的光電倍增管(PMT)的光陰極面；光子在光電倍增管中轉(zhuǎn)換為電子并倍增放大，到達(dá)光電倍增管陽(yáng)極。光電倍增管陽(yáng)極輸出的電信號(hào)通過(guò)信號(hào)線(xiàn)傳送到數(shù)據(jù)獲取裝置，經(jīng)過(guò)觸發(fā)、判選、幅數(shù)轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)到磁盤(pán)上；磁盤(pán)上的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)離線(xiàn)刻度、重建后生成可用于分析的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于對(duì)于低能電磁成分，只有上面幾層探測(cè)器能探測(cè)到物理信息；對(duì)于高能電磁成分，只有上面幾層探測(cè)器能探測(cè)到物理信息，但是能探測(cè)到物理信息的探測(cè)器層數(shù)要大于低能電磁成分時(shí)能探測(cè)到物理信息的探測(cè)器層數(shù)；對(duì)于強(qiáng)子成分，由于強(qiáng)子的相互作用截面比較小，在水較深的地方開(kāi)始簇射產(chǎn)生次級(jí)粒子，所以上部幾層會(huì)探測(cè)到物理信號(hào)，但是信號(hào)比較小，只有底部的幾層探測(cè)器能夠測(cè)量到較大的物理信號(hào)；對(duì)于繆子，探測(cè)器陣列的每一層都可以測(cè)量到物理信號(hào)，根據(jù)測(cè)量到物理信號(hào)的位置，大小，從而分辨出宇宙線(xiàn)粒子的種類(lèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種gamma射線(xiàn)與宇宙線(xiàn)的探測(cè)裝置與方法，所述裝置是多臺(tái)水切倫科夫光粒子探測(cè)器設(shè)置于水體中組成的多層立體式探測(cè)陣列；水切倫科夫光粒子探測(cè)器是本發(fā)明中的基本單元，其包括水切倫科夫光產(chǎn)生裝置、光收集裝置、光電轉(zhuǎn)換裝置、數(shù)據(jù)獲取裝置。通過(guò)探測(cè)器內(nèi)的光收集裝置對(duì)產(chǎn)生的水切倫科夫光進(jìn)行收集，并且經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換裝置后，可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終被數(shù)據(jù)獲取裝置進(jìn)行儲(chǔ)存和記錄。本發(fā)明所述的gamma射線(xiàn)與宇宙線(xiàn)的探測(cè)裝置與方法采用新的光收集技術(shù)和立體式觀(guān)測(cè)手段，能夠收集多維信息，使探測(cè)器的綜合性能大幅提高，對(duì)伽馬線(xiàn)觀(guān)測(cè)靈敏度比現(xiàn)有探測(cè)器提高十倍以上。
文檔編號(hào)G01T1/00GK103018763SQ20121053264
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月12日
發(fā)明者陳鼎 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)