CN103018763A - gamma射线与宇宙线的探测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种gamma射线与宇宙线的探测装置与方法，所述装置是多台水切伦科夫光粒子探测器设置于水体中组成的多层立体式探测阵列；水切伦科夫光粒子探测器是本发明中的基本单元，其包括：水切伦科夫光产生装置、光收集装置、光电转换装置、数据获取装置。通过探测器内的光收集装置对产生的水切伦科夫光进行收集，并且经过光电转换装置后，可将光信号转换成电信号。输出的电信号经过模数转换，最终被数据获取装置进行储存和记录。本发明所述的gamma射线与宇宙线的探测装置与方法采用新的光收集技术和立体式观测手段，能够收集多维信息，使探测器的综合性能大幅提高，对伽马线观测灵敏度比现有探测器提高十倍以上。

Description

gamma射线与宇宙线的探测装置与方法

技术领域

本发明属于粒子探测技术，本发明的探测装置与方法用于相对论粒子的粒子数目及其能量的探测，原初宇宙线各核种的鉴别及其单成分能谱测量，应用于高能伽马天文及高能宇宙线的研究。

背景技术

传统高能粒子探测器，为了测定带电粒子的到达时间及带电粒子的数目，通常采用闪烁体探测器。当带电粒子通过闪烁体时，闪烁体中的原子和分子在退激过程中会发出荧光，其光量与带电粒子的数目成正比。利用该原理，就可以测定进入探测器的带电粒子的数目。但闪烁体探测器价格昂贵(每平方米2万人民币左右)，所以无法满足大面积制作需求。在大型探测器领域，近年来开发成功的水切伦科夫探测器，由于具有价格便宜、p/γ鉴别能力强、灵敏度高等优点，开始部分替代闪烁体探测器。其探测原理是当相对论性带电粒子穿过纯水或净水时的速度大于光在水中的相速度时，会发出水切伦科夫光，此时在纯水或净水中装上大口径的光电倍增管，来收集水切伦科夫光。能量较低的粒子进入探测器中很快消耗其能量，停止了下来，此时其能量与其在探测器中行程长度成正比。而能量较高的粒子进入探测器中不但有较长的行程，而且还会发生二次簇射，产生更多的新粒子，新粒子的数目与入射粒子的能量成正比，此时通过测定探测器中产生的水切伦科夫光，就可以测定入射粒子数目及其总能量。总地来说，产生的水切伦科夫光与入射粒子的数目及所有粒子的总行程是成正比的。

如上面所介绍的水切伦科夫探测器，虽然用廉价的水代替了昂贵的闪烁体，使得成本有所降低，但另一方面，目前大型水切伦科夫光探测器的性能，也仍有很多不尽人意的地方，比如：

1、带电粒子在水中通过时每厘米仅发出300个左右的光子(闪烁体中，粒子每厘米行程可发出10000个光子)，因此，在水中收集光需要较大的光电倍增管的直径(增大采光面积)，然而大口径光电倍增管(直径50cm)价格是小口径光电倍增管(直径5cm)的十倍以上。而且，大口径光电倍增管本身的体积过大，在小型探测器方面根本无法使用。

2、但高速带电粒子在水中产生水切伦科夫光，水切伦科夫光的行进方向与粒子的行进方向成40度角。高速带电粒子每通过1厘米的纯水或净水，发出300个左右的光子，因此，在行进方向中心的部分有较高密度的水切伦科夫光，而远离行进方向中心的地方则密度较小或没有水切伦科夫光存在，因此在探测器中不同的部位探测到的水切伦科夫光的数目有较大的差异。

3、目前已有的水切伦科夫实验，只是由其单元探测器在一个平面上构成单层的探测器阵列。单层的探测器阵列不具备辨别粒子种类的能力，无法区分进入探测器的带电粒子种类，如：电子，μ子，强子等。

目前使用的水切伦科夫光探测器主要有日本人开发的大型地下水切伦科夫光μ子探测器和美国人开发的地面水切伦科夫光粒子量能器，及冰中或水中探测。

日本人开发的大型地下水切伦科夫光μ子探测器，其结构如附图1所示：

地下μ子探测器阵列是由众多混凝土水池单元构成，每个混凝土水池单元为7.2m×7.2m×1.5m，其表面覆盖有2.5米厚的土层，水池内表面涂有白色的反射层，水池的顶部中间有两个20英寸(直径50cm)的光电倍增管(PMT)。地下水切伦科夫光μ子探测器构成的阵列，如附图2中黑色部分所示，每一个黑色部分即代表一个大的水池，共12个大型水池；每个水池分割成16个单元，每个单元即是一台地下μ子探测器，总共有192台地下μ子探测器。当带电粒子在介质中速度超过光在该介质中的速度时，就会产生切伦科夫光。该探测器就是利用PMT收集带电粒子在水中产生的切伦科夫光来探测进入探测器的带电粒子数目。该探测器设计成位于地下2.5m深。2.5m厚的土层可以过滤掉绝大多数非特高能的电磁成分粒子(电子，γ等)，只有较高能μ子(1.3GeV)能穿过土层，所以具有探测1.3GeV以上能量μ子的功能。该探测器只有单层结构，故无法记录粒子进入探测器不同深度阶段的物理图像，无法分辨进入探测器的粒子的种类(如γ，电子，μ子，强子等等)。

美国人开发的高海拔水切伦科夫探测器(HAWC)，其结构如附图3所示。

高海拔水切伦科夫光探测器是一个直径7.3m，高4.3m的水罐子，其中注满水。在水箱的底部，有4个向上的PMT(直径20cm左右)，分别是中间一个10英寸的PMT和***三个8英寸的PMT。高海拔水切伦科夫探测器构成的阵列，如附图4所示，其中每个圆形表示一台水切伦科夫光探测器。探测器阵列的尺寸是150米×115米，总共由300台水切伦科夫探测器构成。其设计理念是通过较厚的水来测量入射粒子的能量。由于每台探测器中只有4个PMT，如果粒子行进方向中心刚好是在4个PMT的位置上，则可以测得较大光量，反之则测得较小光量或测不到光量。因此，粒子在探测器上的入射位置及方向不同，就造成很大的测量误差，即通常所称的探测器的位置依存性。为了降低探测器位置依存性，通常可以在水箱的内部增加光反射层，对光进行多次的漫反射，使得水切伦科夫光在水中均匀分布来消除探测器位置依存性造成的粒子数或能量测量误差。但由于探测器必须同时探测另一重要的物理量，及粒子到达探测器的时间，直径7.3m，高4.3m的水罐子从粒子到达水罐子的水面开始计算，其到达PMT的行程是不同的，差异可以达到米的量级，而1米的差异将产生4纳秒的时间测量差异，此时若在内壁增加反射材料，直接入射和漫反射光子到达PMT的到达时间差将达到十个纳秒以上，这是粒子探测器所无法忍受的。这两难的选择，使得美国人只好采用探测器内不涂反射材料的方案。

还有一种对水切伦科夫光探测方法是在深海或南极的冰层中(冰面或水面千米以下)用绳子直接吊入一串串的光电倍增管，来对水切伦科夫光进行观测，但是这种方法的结构过于庞大，非常昂贵，而且光收集效率也非常低，测量结果不准确。

因此目前水切伦科夫光探测器具有对对粒子到达时间，粒子数目及粒子能量的测量不精确等缺点，特别是探测器不具备辨别粒子种类的能力，无法区分进入探测器的带电粒子如：电子、μ子、强子等。而这些功能是检测一台探测器性能的最关键的技术指标。所以，本发明提出一种gamma射线与宇宙线的探测装置与方法，解决上述问题。

发明内容

本发明中提出一种gamma射线与宇宙线的探测装置，包括多台水切伦科夫光粒子探测器，水切伦科夫光粒子探测器是本发明的基本探测单元，所述水切伦科夫光粒子探测器包括水切伦科夫光产生装置、光收集装置、光电转换装置、数据获取装置：

所述光收集装置包括贴在水切伦科夫光产生装置内表面上的漫反射膜或其他反射材料及固定于水切伦科夫光产生装置内部的波长转换光纤；

所述水切伦科夫光产生装置包括：密闭的水箱或水袋；在所述水箱或水袋外表面上具有遮光层；

所述的多台水切伦科夫光粒子探测器在水体中布置为多层立体，隔断式探测阵列。

所述的漫反射膜为tyvek膜或其他反射材料，反射率在80％以上。

所述的光电转换装置为光电倍增管，固定于水箱或水袋内部；所述波长转换光纤的切口对准光电倍增管的光阴极面；光电倍增管输出的电信号通过信号线输送到数据获取装置。

水切伦科夫光产生装置注满纯水或净水后固定在水体中；所述的水体为湖泊、水库或人工水体。

所述的探测器阵列呈立方体均匀分布或非均匀分布。

探测器阵列中不同层的间距可以是相同或不同的，每一层的水切伦科夫光粒子探测器呈矩形均匀分布或非均匀分布。

所述水切伦科夫光产生装置还可以包括水净化装置，用于为水切伦科夫光产生装置提供纯水或净水。

本发明还提出一种利用权利要求1所述的探测装置探测gamma射线与宇宙线的方法：所述探测过程为：高能粒子射入水切伦科夫光探测器，装置内部的水会产生切伦科夫光，所述光被光收集装置收集，通过光电转换装置转换为电信号，传输到数据获取装置，数据获取装置输出获取的数据。

其次，所述的水切伦科夫光产生装置为注水的水袋或水箱，切伦科夫光在水箱或水袋传播过程中被探测器内表面的反射材料所漫反射；所述的光收集装置包括均匀分布的波长转换光纤；波长转换光纤收集的光子其波长被转换为易于传输的光并通过光纤传输；入射到所述光电转换装置的光电倍增管(PMT)的光阴极面；光子在光电倍增管中转换为电子并倍增放大，到达光电倍增管阳极。光电倍增管阳极输出的电信号通过信号线传送到数据获取装置，经过触发、判选、幅数转换后存储到磁盘上；磁盘上的数据经过离线刻度、重建后生成可用于分析的实验数据。

水切伦科夫光探测器注满水后安装在大水体中；高压电源在地面上通过高压线给光电转换装置提供高压。所述光电转换装置包括光电倍增管、光电倍增管固定架、光电倍增管分压电路、高压电源、高压线、信号线。光电倍增管的针脚与分压回路连接；分压回路外接高压线和信号线；高压电源通过高压线给光电倍增管提供工作电压，光电倍增管输出的电信号通过信号线输送到数据获取装置。

所述数据获取装置包括快速模数转换器(FADC)、通用计算机总线(VME)、核仪器插件***(NIM***)、触发判选和数据存储***。

所述水箱或水袋外表面附有一层黑色的遮光层，所述遮光层在水箱外侧，高速带电粒子射入水箱或水袋内部，在水箱或水袋内部的水中产生光子，水箱或水袋完全遮光，防止水箱或水袋外部的光子进入水箱或水袋，造成干扰；内表面附有tyvek膜或其他反射材料，能够漫反射80％以上的光子。

所述水箱或水袋本身能够密封纯水或净水，防止水质变坏。

带电粒子入射到装满纯水或净水的水箱或水袋中，其速度超过光在水中的相速度，会产生切伦科夫光，约300个/厘米。切伦科夫光在水箱或水袋传播过程中被漫反射，会趋于均匀分布，被同样均匀分布的波长转换光纤所收集，波长转换光纤收集的光子通过光纤传输，入射到光电倍增管(PMT)的光阴极面。光子在光电倍增管中转换为电子并倍增放大，到达光电倍增管阳极。光电倍增管阳极输出的电信号通过信号线传送到数据获取装置，经过触发、判选、幅数转换后存储到磁盘上。磁盘上的数据经过离线刻度、重建后生成可用于分析的实验数据。

探测器阵列能够区分次级粒子种类的原理：

一个高能粒子进入大气层时，会与大气中的核产生相互作用形成簇射。簇射产生很多的次级粒子，例如γ，电子、μ子、各种强子。簇射的发生过程是由小发展到极大，由极大再慢慢衰减。空气簇射产生的次级粒子到达gamma射线与宇宙线的探测装置后，也会与水相互作用再次形成簇射。由于粒子种类、粒子的能量不同，所以产生簇射的开始位置，极大位置，结束位置也不相同。立体的gamma射线与宇宙线的探测装置能够记录立体多维的物理信息，这些物理信息经过处理后就可再现出各个探测到来的粒子的簇射开始位置，结束位置，及不同层中粒子数的分布情况。这样就可鉴别次级粒子的种类。如附图5所示，不同种类粒子在探测器阵列中形成的物理信息图像是不同的。比如：对于低能电磁成分(γ，±e等)，粒子一进入探测器立即就有信号被探测，其信号从小到大再趋于消亡，只有上面几层探测器能探测到物理信息；对于高能电磁成分，其物理图像累类似于上述图像，但其进入探测器层数明显要大。对于强子成分，由于强子的相互作用截面比较小，在水较深的地方开始簇射产生次级粒子，所以上部几层会探测到物理信号，但是信号比较小，只有底部的几层探测器能够测量到较大的物理信号；对于缪子，探测器阵列的每一层都可以测量到单粒子信号，即每层的信号都不大，但几乎其信号大小都相同。根据不同层探测器测量到的物理信号的大小变化及位置分布等，可以从而分辨出宇宙线粒子的种类。例如某时刻探测器阵列的每一层都能探测到物理信号，并且物理信号的大小都几乎相同，我们就可认为本次探测器探测到的宇宙线次级粒子是一个缪子。

有益效果：

本发明所述的gamma射线与宇宙线的探测装置与方法，在探测原理和结构上做了重大改进，采用新的光收集技术和立体式观测手段，能够收集多维信息，弥补了现有水切伦科夫探测器的缺点。其有益效果主要体现以下几个方面：

1)本发明所述的gamma射线与宇宙线的探测装置与方法，其是由数千台水切伦科夫光粒子探测器在水体中组成的多层探测阵列。其具有多层立体式，隔断式结构，使得该探测器阵列能够探测并记录粒子在探测器中与水发生作用而留下的多维的物理信息，改变了现有探测器平面探测的局限性。从而使该探测器能够区别粒子的种类，有效区分不同的电子，μ子，强子等粒子。

2)水切伦科夫光粒子探测器是本发明中的基本探测单元。其首次在水中使用波长变换光纤来收集带电粒子在水中产生的切伦科夫光子。在探测器中均匀地铺设波长变换光纤，改变现有探测器仅用光电倍增管收集光的缺点，不但对探测器内的水切伦科夫光可以起到均匀收集的作用，同时大大增加了收集光子的有效面积。波长转换光纤代替光电倍增管来收集水切伦科夫光，从根本上排除探测器的位置依存性而造成的较大的测量误差。本发明的方法大幅降低了探测器对粒子数目测量及到达时间测量的位置依存性。

3)在湖泊、河流、水库等水体中直接放入内置水切伦科夫光探测器的水箱或水袋的设计，构成立体式，隔断式的“水中的水切伦科夫光探测器”，避免了混凝土水池或其他材料水罐的建设制作的大量费用，使探测器的制作成本降低。

4)本发明中使用的基本探测单元——水切伦科夫光粒子探测器利用波长变换光纤收集切伦科夫光。收集的切伦科夫光通过光纤汇聚到光电倍增管。所以小口径光电倍增管就能够达到实验需求，不必再使用大口径光电倍增管，大大降低了成本(直径50cm PMT 4万/个，直径5cm PMT 0.2万/个)。同时，该探测器使用小口径光电倍增管，从而使得小型和薄型探测器上也可采用该技术。(大口径PMT直径达20cm以上，厚度30cm以上，通常适用于厚度1m以上，单元面积10平方米以上的大型探测器)。

5)本发明中基本探测单元——水切伦科夫光粒子探测器是密封遮光的，其内部与外部相隔断，探测器外部的光子与内部的光子不会相互干扰。所以探测器探测到的粒子数目非常准确，从而其能量测量精度很高。探测器的高度(即厚度)较小，只有0.3～2m，在水体中构成多层立体式阵列，这样的高度范围数值减少了漫反射层对粒子到达时间测量精度影响，使探测器的时间测量精度得到了提高。本发明中采用的薄层隔断式的多层立体结构，大大提高了粒子的到达时间和能量的测量精度。

6)如附图6所示，该发明中基本探测单元——水切伦科夫光粒子探测器对传统闪烁体探测器的替代同样非常成功，本发明可以利用波长变换光纤收集探测器中产生的数目较少的水切伦科夫光，达到以廉价的纯净水代替高价的闪烁体的目的，每平方米探测器造价节省2万人民币左右。当然，在寒冷气候环境下，纯净水存在结冰的问题，对此我们只要对探测器外部加上1-15cm厚的泡沫保温材料，并在探测器内部安装一个自动加热装置，当探测器内温度接近零度时开始加热，高于5度左右时停止加热。

7)在高能γ线观测中，由于高能γ射线的数量只有原初宇宙线(大部分为质子：简称P)的千分之一左右，所以探测器阵列的γ/P鉴别能力是探测器性能的优劣判断的最重要依据。γ/P鉴别能力即是在保留50％以上的γ射线时，能够去除原初宇宙线本底(P)的能力。去除的宇宙线本底越多，γ/P鉴别能力越好。附图7是γ/P鉴别能力与能量的关系图，如图所示，与广延大气簇射探测器阵列(ASγ)和高海拔水切伦科夫实验(HAWC)相比，本发明所述的探测器阵列具有明显的优势，能量在500GeV附近，本发明所述的探测器阵列能够去除99.94％的原初宇宙线，同时在2TeV左右，能够达到“Back Groundfree”观测水平，即完全去除原初宇宙线本底的影响。附图8是探测器对γ线观测的灵敏度曲线示意图，既在达到1年5σ的超出(未达到“Back Groundfree”水平时)或1年观测到10个事例(达到“BackGroundfree”水平时)时，能观测到的高能γ射线的最小流强。在图中对本发明所述的探测器阵列的灵敏度和其他各家实验进行比较。可以看出，我们的探测器灵敏度比现有探测器敏感度提高了10倍以上。这意味着其他探测器要达到我们探测器的敏感度，他们需要把他们的探测器面积在现有水平扩大100倍。鉴于探测器的价格昂贵，那几乎是不可能的。

附图说明：

附图1：地下μ子探测器结构示意图

附图2：地下μ子探测器构成的阵列示意图(黑色部分)

附图3：高海拔水切伦科夫探测器(HAWC)的结构示意图

附图4：高海拔水切伦科夫探测器(HAWC)构成的阵列示意图

附图5：gamma射线与宇宙线的探测装置与方法能够区别粒子的种类的原理示意图

附图6：基本探测单元中用纯水或净水替代闪烁体的示意图

附图7：γ/P鉴别能力与能量的关系图

附图8：灵敏度曲线示意图

附图9：gamma射线与宇宙线的探测装置的示意图(实施方式一)

附图10：gamma射线与宇宙线的探测装置的示意图(实施方式二)

附图11：基本探测单元——水切伦科夫光粒子探测器结构示意图(实施方案一)

附图12：基本探测单元——水切伦科夫光粒子探测器结构示意图(实施方案二)

附图13(a)：性能标定实验的示意图

附图13(b)：性能标定试验中水切伦科夫探测器测量的信号

附图13(c)：性能标定实验中水切伦科夫探测器测量的信号与空气簇射轴芯探测器(YAC)测量的信号的关系图

附图14(a)：粒子入射到水切伦科夫探测器不同位置时引起的测量误差

附图14(b)：探测器对粒子到来方向的测量精度

附图14(c)：探测器对粒子能量测量精度

附图标记的说明：

1湖泊、水库或人造水体

2水切伦科夫光粒子探测器的顶部

3水切伦科夫光粒子探测器的底部

4水切伦科夫光粒子探测器的侧边

5遮光层

6水箱或水袋的壁

7tyvek膜

8光电倍增管

9高压线

10信号线

11进出水管

12高压电源

13数据获取的电子学仪器

14水净化装置

15出气口

16呈均匀或放射状分布的波长转化光纤

本发明实施方式一：

如附图9所示，在广阔且足够深的湖泊、水库或人工水体等水体中，为数众多的水切伦科夫光粒子探测器构成一个多层立体式，隔断式的探测器阵列。湖泊、水库或人工水体其实本身就是一个大探测器，而我们放入的水切伦科夫光粒子探测器则成为了探测器中的探测器。探测器阵列可设置成3～10层，层与层的间距为0.2米～5米，探测器阵列中不同的层间距与同层探测器的间距是可调的。每一层的水切伦科夫光粒子探测器呈矩形均匀分布或呈放射状非均匀分布。同一层中，单元探测器的间距为1.5米～15米，按观测目标不同，可以设置成更大距离。通常在探测器阵列中心单元探测器分布较紧密，在探测器阵列***单元探测器分布稀疏。

本发明实施方式二：

作为一种可选的实施方式，在实验的预先研究中，先构筑一个简单的探测器阵列样机，如附图10所示。人工建造一个水池，水池的底面是一个边长5米的矩形，水池的高度是4米。在水池中建造4台水切伦科夫光粒子探测器，每台水切伦科夫光粒子探测器的底面边长是4米，高0.5米。4台水切伦科夫光粒子探测器布置成4层，层与层的间距是0.5米，最上面一台的上表面距水面0.5米。本探测器样机阵列中每台水切伦科夫光粒子探测器的高度只有0.5m，甚至可以做的更薄，从而可以实现水切伦科夫探测器的小型化，能够代替传统的塑料闪烁体探测器，大大降低了成本。

本发明所述的基本探测单元——水切伦科夫光粒子探测器的具体实施方式可分为三种：

A、水切伦科夫光粒子探测器实施方式一

水切伦科夫光粒子探测器的结构：如附图11所示：1是湖泊、水库或人造水体，水切伦科夫光粒子探测器放置在其中的固定架上。2是水切伦科夫光粒子探测器的顶部，3是水切伦科夫光粒子探测器的底部，4是水切伦科夫光粒子探测器的侧边。

水切伦科夫光粒子探测器的水箱或水袋的外壳是由三部分构成：5是一层遮光层，防止探测器漏光；6是水箱或水袋的壁，能够密封纯水或净水，防止水质变差；7是tyvek膜或其他反射材料，其光的反射率在80％以上。16是呈均匀或非均匀分布的波长转换光纤，其配置能到达水切伦科夫光粒子探测器底部绝大部分面积，用于收集水切伦科夫光粒子探测器中产生的水切伦科夫光。8是光电倍增管，其与分压回路连接后进行封装(防止进水)，封装后仅露出光电倍增管的光阴极面和高压线、信号线接头(高压线和信号线接头需单独封装)。封装的光电倍增管固定在固定架上。光电倍增管在高电压下工作，能够将光信号转换为电信号，并对电信号进行放大。波长转换光纤束成一束后垂直对准光电倍增管的光阴极面，光纤的切口与光阴极面的间距为0.1～1厘米。9是高压线，10是信号线，11是进出水管。12是高压电源，它通过高压线给光电倍增管提供工作电压。13是数据获取的电子学仪器。光电倍增管阳极输出的电信号经过信号线传输到数据获取的电子学仪器，经过其触发判选、幅数转换等处理后变为数字信号存储到磁盘中。14是水净化装置，它生产纯水或净水，并注入到水箱或水袋中。15是出气口，用于在注水时排出气体。

水切伦科夫光粒子探测器整体尺寸与其内部各个部件的尺寸：

水切伦科夫光粒子探测器的边长可为0.5～10米，边长最优尺寸为1～5米；高度为0.3～2米。水箱或水袋的壁厚为0.1～2厘米。光纤的直径为0.5-5毫米，每根的长度0.3～10米，可以根据探测器对到达时间的测量精度的要求进行调整，光纤均匀或非均匀地安置在水箱或水袋中，其间距为1cm到几十cm，可根据PMT的放大倍数等性能及对入射粒子数或能量测量精度要求不同可以灵活调整。光电倍增管的直径可以为1～15cm。水切伦科夫光粒子探测器的最优高度为0.3～1m。用高度是0.3～1m的薄层式探测器来代替类似HAWC试验中4.5m高的水箱是为了保证粒子的到达时间和能量测量的准确性。HAWC实验使用4.5m高的水箱，为了提高测量粒子的到达时间精度而不用漫反射层，这样提高了时间测量的准确性却降低了粒子的数目及能量测量精度。本发明中使用薄层探测器，探测器内部使用漫反射层既保证了粒子的能量测量精度也不会降低粒子的时间测量精度。

水切伦科夫光粒子探测器工作流程：

首先是组装水切伦科夫光粒子探测器，必须做到不漏光，不漏水。安装完毕后，开动净水装置，生产纯水或净水。水箱或水袋中注满纯水或净水后撤掉净水装置，并将进水口密封。启动高压电源给光电倍增管提供工作电压，光电倍增管输出电信号通过电子学仪器将数据获取并记录。高速带电粒子进入水箱或水袋中，其在水中的速度将超过光在水中的速度，此时会产生水切伦科夫光，约300个/厘米。由于水箱或水袋的内层是一层高反射率的tyvek膜，所以产生的切伦科夫光经漫反射后在水中自由无规律传播，直至衰减消失。光子在较纯净的水中传播衰减为原来数目1/e时在纯净水中通过的距离大约是15米以上。波长转换光纤在水箱或水袋中呈均匀或非均匀分布，延伸到探测器面积的95％以上。如此，切伦科夫光在多次反射传播过程中就可能均匀碰触到波长转换光纤的表面，进而被波长转换光纤吸收。被吸收的光子转换为波长更易在光纤中传输的光子，其波长约为450～600纳米。转换后的光子经过光纤传输到光纤切口，进而射到光电倍增管的光阴极面。光阴极面到达的光子中的30％左右转换为光电子。光阴极面产生的光电子经过光电倍增管的各个打拿极的倍增放大形成大量的电子汇聚到光电倍增管的阳极。此时光子信号就被转化为可被电子学测量的电信号。光电倍增管阳极的电信号经过信号线输送到数据获取的电子学仪器。在电子学仪器中，电信号经过放大、滤波、触发判选、幅数转换等处理后变为数字信号存储到磁盘中。磁盘中的数据经过离线刻度、数据重建即可成为可用于物理分析的数据。

B、水切伦科夫光粒子探测器实施方式二

在实施方式一的实验过程中，水箱或水袋的内层的tyvek膜具有很好的反射率，当探测器中的水质足够好时(如光衰减长度大于15米)，也可以不采用波长转换光纤，而采用较大直径的PMT(如10cm左右的PMT)直接在水箱或水袋中收集切伦科夫光，当然对于单粒子入射时检出率会由采用波长转换光纤时的80％降低到30％左右，但对于多粒子或大能量粒子的测量，影响则不是很大，鉴于节省制作成本的考虑，及实际实验要求，方式二也成为一个可行的选择。

水切伦科夫光粒子探测器的结构：如附图12所示，1是湖泊、水库或人造水体，水切伦科夫光粒子探测器放置在其中的固定架上。2是水切伦科夫光粒子探测器的顶部，3是水切伦科夫光粒子探测器的底部，4是水切伦科夫光粒子探测器的侧边。水切伦科夫光粒子探测器的水箱或水袋的外壳是由三部分构成：5是一层遮光层，防止探测器漏光；6是水箱或水袋的壁，能够密封纯水或净水，防止水质变差；7是tyvek膜，其光的反射率在80％以上。8是光电倍增管，其与分压回路连接后进行封装(防止浸水)，封装后仅露出光电倍增管的光阴极面和高压线、信号线接头(高压线和信号线接头需单独封装)。封装的光电倍增管固定在固定架上，位置是在水切伦科夫光粒子探测器中间。光电倍增管在高电压(-1200V～-2500V)下工作，能够将光信号转换为电信号，并对电信号进行放大。9是高压线，10是信号线，11是进出水管。12是高压电源，她通过高压线给光电倍增管提供工作电压。13是数据获取的电子学仪器。光电倍增管阳极输出的电信号经过信号线传输到数据获取的电子学仪器，经过其触发判选、幅数转换等后变为数字信号存储到磁盘中。14是水净化装置，它生产纯水或净水，并注入到水箱或水袋中。15是出气口。

水切伦科夫光粒子探测器整体尺寸与其内部各个部件的尺寸：

水切伦科夫光粒子探测器的边长可为0.5～10米，边长最优尺寸为1～5米；厚度(即高度)为0.3～2米。水箱或水袋的壁厚为0.1～2厘米。光电倍增管的直径为5～20cm，数量为1～4个。

水切伦科夫光高能粒子探测器工作流程：

水切伦科夫光高能粒子探测器安装完毕后，开动净水装置，生产纯水或净水。水箱或水袋中注满纯水或净水后撤掉净水装置，并将进水口密封。启动高压电源和数据获取的电子学仪器，给光电倍增管提供工作电压并获取水切伦科夫光粒子探测器产生的电信号。高速带电粒子摄入水箱或水袋中，若其在水中的速度超过光在水中的相速度，则就会产生水切伦科夫光，约300个/厘米。由于水箱或水袋的内层是一层一层漫反射的tyvek膜或其他反射材料，所以产生的切伦科夫光可在水中传播，并被反射材料反射后再传播，直至衰减消失。光子在水中传播衰减到原来1/e的距离大约是15米。光阴极面到达的光子中的30％左右转换为光电子。光电子经过各个打拿极的倍增放大形成大量的电子汇聚到光电倍增管的阳极。此时大量的光子已经是可被电子学测量的电信号。光电倍增管阳极的电信号经过信号线输送到数据获取的电子学仪器。在电子学仪器中，电信号经过放大、滤波、触发判选、幅数转换等处理后变为数字信号存储到磁盘中。磁盘中的数据经过离线刻度、数据重建即可成为可用于物理分析的数据。

C、水切伦科夫光粒子探测器实施方式三

主要针对高海拔寒冷气候而设计，在实施方式一和实施方式二的基础上加入恒温装置，避免结冰。

水切伦科夫光粒子探测器整体尺寸与其内部各个部件的尺寸：

水切伦科夫光粒子探测器的边长可为0.5～数米；厚度为0.1～1米。水箱或水袋的壁厚为0.1～2厘米。光纤的直径为0.5-5毫米，每根的长度0.2～2米，可以根据探测器对到达时间的测量精度进行调整，光纤均匀设置于水箱或水袋中，其间距为1cm到几十cm，可根据PMT的放大倍数等性能及对入射粒子数或能量测量精度要求不同可以灵活调整。光电倍增管的直径可以为1～10cm。数量为1～2个(如配置不同型号的高，低增益PMT，已达到更大的测量量程)。如使用于低温环境，探测器外部追加有保温材料，其厚度5-15cm，内部追加有自动加热装置，当探测器内温度接近零度时开始加热，高于5度左右时停止加热。

对于本发明中的基本探测单元——水切伦科夫光粒子探测器，已经完成了小，中，大型样机制作。大型样机我们采用的是实施方式一。样机使用水箱，其尺寸是边长×边长×高＝3米×3米×1米，材料是1.5厘米厚的聚氯乙烯(pvc)。水箱外表面的遮光层是黑色塑料膜，以保证水箱不会漏光。Tyvek膜与涂有防水漆的铁丝网固定在一起后整体放置在水箱的内表面。波长转换光纤呈放射状分布在水箱内部，其间距在1～3厘米。每根波长转换光纤长3.2米，总共100根。波长转换光纤与光电倍增管固定在固定架上。固定架吊在水箱的顶部。波长转换光纤距水箱底部约45厘米。光电倍增管通过高压线、信号线与实验室中的数据收集***相连。水箱中注入约50厘米的纯水或净水，然后用遮光层将水箱整体密封。

为了评估水切伦科夫光粒子探测器样机测量的准确性，我们用加速器的粒子束流对探测器做了性能标定。加速器产生的高速粒子束经过法拉第杯、厚粒子室、薄粒子室、空气簇射轴芯探测器(YAC)、水切伦科夫探测器。法拉第杯、厚粒子室、薄粒子室的标定刻度衔接后就可绝对刻度空气簇射轴芯探测器(YAC)和水切伦科夫探测器。

其性能定标实验如附图13(a)所示，依次是加速器产生的粒子数、法拉第杯、厚粒子室、薄粒子室、空气簇射轴芯探测器(YAC)、水切伦科夫探测器。附图13(b)是水切伦科夫探测器测量的信号。附图13(c)水切伦科夫探测器测量的信号与空气簇射轴芯探测器(YAC)测量的信号的关系图。

附图14(a)是粒子入射到水切伦科夫探测器样机不同位置时引起的测量误差。测量误差为-35％～+40％，这个测量误差与HAWC相比是非常小的；附图14(b)是探测器对粒子到来方向的测量精度。从附图14(b)中可知，对于能量300GeV以上γ射线的到来方向决定精度为1.75度。附图14(c)是探测器对粒子能量测量精度。从附图14(c)中可知，粒子能量在100GeV～10000GeV，粒子数之和(Sumρ)在100～1000时，粒子能量测量精度为30％。这个测量精度与HAWC相比是非常好的。

综上所述，新开发的水切伦科夫光粒子探测器，现有的粒子探测器相比，大幅降低了成本，同时在粒子数目，粒子到达时间测量精度等性能上有了较大提高，特别是探测器对γ线的观测的背景去除率及敏感度有了大幅提高，是综合性能非常优异的探测器。

Claims (10)

1.一种gamma射线与宇宙线的探测装置，包括多台水切伦科夫光粒子探测器，所述水切伦科夫光粒子探测器包括水切伦科夫光产生装置、光收集装置、光电转换装置、数据获取装置，其特征在于：

所述光收集装置包括贴在水切伦科夫光产生装置内表面上的漫反射膜及固定于水切伦科夫光产生装置内部的波长转换光纤；

所述水切伦科夫光产生装置包括：密闭的水箱或水袋；在所述水箱或水袋外表面上具有遮光层；

所述的多台水切伦科夫光粒子探测器在水体中布置为多层立体、隔断式探测阵列。

2.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于：所述的漫反射膜为tyvek膜。

3.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于：所述的光电转换装置为光电倍增管，固定于水箱或水袋内部；所述波长转换光纤的切口对准光电倍增管的光阴极面；光电倍增管输出的电信号通过信号线输送到数据获取装置。

4.根据权利要求1所述的探测装置，水切伦科夫光产生装置注满纯水或净水后固定在大水体中；所述的大水体为湖泊、水库或人工水体；所述水切伦科夫光产生装置还包括水净化装置，用于为水切伦科夫光产生装置提供纯水或净水。

5.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于：所述的探测器阵列呈立方体均匀分布或放射状非均匀分布。

6.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于：探测器阵列中不同的层其层间距是不同的，每一层的水切伦科夫光粒子探测器呈矩形均匀分布或呈放射状非均匀分布。

7.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于：所述水切伦科夫光粒子探测器的高度设置为0.3～1m，称为薄层式探测器。

8.一种利用权利要求1所述的探测装置探测gamma射线与宇宙线的方法，其特征在于：所述探测过程为：带电粒子射入水切伦科夫光产生装置内部，在水切伦科夫光产生装置内部的水中产生切伦科夫光，所述光被光收集装置收集，通过光电转换装置转换为电信号，传输到数据获取装置，数据获取装置输出获取的数据。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述的水切伦科夫光产生装置为水袋或水箱，切伦科夫光在水箱或水袋传播过程中被漫反射；所述的光收集装置包括均匀分布的波长转换光纤；波长转换光纤收集的光子通过光纤传输；入射到所述光电转换装置的光电倍增管(PMT)的光阴极面；光子在光电倍增管中转换为电子并倍增放大，到达光电倍增管阳极。光电倍增管阳极输出的电信号通过信号线传送到数据获取装置，经过触发、判选、幅数转换后存储到磁盘上；磁盘上的数据经过离线刻度、重建后生成可用于分析的实验数据。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：对于低能电磁成分，只有上面几层探测器能探测到物理信息；对于高能电磁成分，只有上面几层探测器能探测到物理信息，但是能探测到物理信息的探测器层数要大于低能电磁成分时能探测到物理信息的探测器层数；对于强子成分，由于强子的相互作用截面比较小，在水较深的地方开始簇射产生次级粒子，所以上部几层会探测到物理信号，但是信号比较小，只有底部的几层探测器能够测量到较大的物理信号；对于缪子，探测器阵列的每一层都可以测量到物理信号，根据测量到物理信号的位置，大小，从而分辨出宇宙线粒子的种类。

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