CN110109172A - 宇宙射线测量装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及宇宙射线测量技术领域，尤其涉及一种宇宙射线测量装置。该测量装置包括：多个呈阵列排布的闪烁探测器，用于接收宇宙射线并生成用于反映宇宙射线的脉冲信号；信号处理器与各闪烁探测器相连接，用于接收、处理并记录各闪烁探测器生成的脉冲信号。该测量装置的运行成本较低，且可通过网络遥控遥测。

Description

宇宙射线测量装置

技术领域

本公开涉及宇宙射线测量技术领域，尤其涉及一种宇宙射线测量装置。

背景技术

宇宙射线是来自宇宙空间的高能粒子，能够帮助人类了解宇宙的奥秘，也带来了天体和宇宙演化的丰富信息。极端高能宇宙射线进入地球大气后，与大气原子核发生作用，其次级粒子再与大气原子核发生作用，如此重复，最终会产生几百亿个次级粒子，像阵雨那样几乎“同时”到达地面十几平方公里范围内，称为宇宙线广延大气簇射。

宇宙射线测量装置用于接收宇宙射线的次级粒子，并用于测量宇宙线广延大气簇射的方向、位置、密度分布、总能量以及强度。在中学和大学的校园中建立宇宙射线测量装置，有助于学生和教师直接接触到当代物理学研究的前沿，并在科学家直接指导下亲历最前沿的科学研究过程。

现有技术中，某些宇宙射线测量装置采用阻性板探测器，该阻性板探测器需要在多层平行电极的中间连续流通高纯度高精度混合比例的工作气体，以维持探测器的正常工作，运行成本较高。

所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种宇宙射线测量装置，该测量装置的运行成本较低，且可通过网络遥控遥测。

为实现上述发明目的，本公开采用如下技术方案：

根据本公开的一个方面，提供一种宇宙射线测量装置，包括：

多个呈阵列排布的闪烁探测器，所述闪烁探测器用于接收宇宙射线并生成用于反映所述宇宙射线的脉冲信号；

信号处理器，与各所述闪烁探测器相连接，用于接收、处理并记录各所述闪烁探测器生成的所述脉冲信号。

在本公开的一种示例性实施例中，各所述闪烁探测器的信号的相对时间精度优于2纳秒。

在本公开的一种示例性实施例中，所述闪烁探测器的有效探测面积的取值范围为0.25平方米～1平方米。

在本公开的一种示例性实施例中，所述信号处理器包括：

天线，用于接收授时卫星的时间信号；

时钟单元，包括NTP时钟服务器，所述NTP时钟服务器与所述天线相连接，用于根据所述时间信号确定具有预定绝对时间精度的世界时；

电子学单元，与各所述闪烁探测器相连接，用于接收所述脉冲信号，并将所述脉冲信号转换成数字信号；

交换机，与所述时钟单元及所述电子学单元相连接，所述交换机用于接收所述世界时并根据所述世界时实时标定出所述电子学单元的绝对时间；

其中，所述电子学单元能够采集所述绝对时间，并用所述绝对时间对所述数字信号进行标记，以生成数据记录，所述交换机能够接收所述数据记录；

终端单元，与所述交换机相连接，用于接收并储存所述数据记录，且能控制各所述闪烁探测器、所述天线、所述NTP时钟服务器、所述电子学单元和所述交换机的运行。

在本公开的一种示例性实施例中，所述授时卫星的数量至少为四个。

在本公开的一种示例性实施例中，所述世界时的绝对时间精度优于100纳秒。

在本公开的一种示例性实施例中，所述电子学单元包括电路板、第一变压器和第二变压器；所述电路板与所述闪烁探测器相连接，用于将所述脉冲信号转换成所述数字信号；所述第一变压器与所述电路板相连接，用于把交流市电变换成稳定的低压直流电，并为所述电路板提供所述低压直流电；所述第二变压器与所述第一变压器及所述闪烁探测器相连接，用于将所述低压直流电变换成稳定的直流高压电，并为所述闪烁探测器提供所述直流高压电。

在本公开的一种示例性实施例中，所述直流高压电的电压值由所述终端单元控制。

在本公开的一种示例性实施例中，所述终端单元包括：

存储模块，用于接收并储存所述数据记录。

在本公开的一种示例性实施例中，所述终端单元还包括：

控制模块，用于控制各所述闪烁探测器、所述天线、所述NTP时钟服务器、所述电子学单元和所述交换机的运行。

本公开提供的宇宙射线测量装置，在使用时，闪烁探测器用于接收宇宙射线，并生成相应的脉冲信号，信号处理器与闪烁探测器相连接，用于接收、处理脉冲信号，以实现对宇宙射线相关物理量的测量，并且记录下来。相比于宇宙射线测量装置采用阻性板探测器的方案，因为阻性板探测器需要连续稳定流通高纯度高精度混合比例的工作气体，而本申请的宇宙射线测量装置采用闪烁探测器不需要如此，运行成本大大降低。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开实施方式宇宙射线测量装置的原理示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。

用语“一个”、“一”、“该”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

本公开提供一种宇宙射线测量装置，该宇宙射线测量装置可包括多个呈阵列排布的闪烁探测器和信号处理器，其中：

闪烁探测器用于接收宇宙射线并生成用于反映宇宙射线的脉冲信号；信号处理器与各闪烁探测器相连接，用于接收、处理各闪烁探测器生成的脉冲信号，以实现对宇宙射线相关物理量的测量，并且记录下来。相比于宇宙射线测量装置采用阻性板探测器的方案，因为阻性板探测器需要连续流通高纯度高精度混合比例的工作气体，而本申请的宇宙射线测量装置采用闪烁探测器不需要如此，运行成本大大降低。

下面结合附图对本公开实施方式提供的宇宙射线测量装置进行详细说明：

如图1所示，闪烁探测器用于接收宇宙射线产生的次级粒子，并生成用于反映宇宙射线的脉冲信号。

闪烁探测器是由闪烁体、光的收集部件和光电转换器件组成的辐射探测器。当宇宙射线产生的次级带电粒子进入闪烁体时，闪烁体的原子或分子受激而产生荧光，光的收集部件使荧光尽量多地射到光电转换器件的光敏层上并打出光电子，光电子经过倍增后，再由输出级收集而形成具有预定波形的脉冲信号。

易于理解的是，该脉冲信号可反映宇宙射线的特性。

具体而言，宇宙射线与大气原子核发生作用后形成宇宙线广延大气簇射，而原初宇宙射线的延长线称为该宇宙线广延大气簇射的轴心，所有次级粒子的方向都近似平行于该轴心，轴心与闪烁探测器所在地面的交点称为芯位(轴心位置)，离该芯位越近，次级粒子密度越大(称为“横向分布”)。

由于各闪烁探测器位置固定而且已知，且各闪烁探测器的信号到达的相对时间可精确到1纳秒，则由3个以上闪烁探测器的信号的时间差，就可以计算出该宇宙线广延大气簇射的方向。

结合各个闪烁探测器的脉冲信号的幅度，可推导出击中闪烁探测器的次级粒子的数量；由各闪烁探测器探测到的粒子数，根据“横向分布”规律，就可以计算出“芯位”；如果“芯位”在呈阵列分布的闪烁探测器的分布面积内，就可以计算出该原初宇宙射线的能量。

当然，该闪烁探测器还可实现对宇宙射线的流强等其他物理量进行测量的目的，此处不再一一介绍。

闪烁探测器的数量可以为多个，且多个闪烁探测器可呈阵列分布，以方便对宇宙射线的次级粒子进行接收。举例而言，在一个观测站可设有4或9个闪烁探测器，以组成2×2矩阵或3×3矩阵，当然，闪烁探测器的数量也可以更多，此处不作特殊限定。

闪烁探测器的有效探测面积的取值范围可以为0.25平方米～1平方米，当然，闪烁探测器的有效探测面积也可以小于0.25平方米或是大于1平方米，此处不作特殊限定。而各闪烁探测器之间的间距可大可小，以便在不同大小的场地(楼顶)安置，此处不再详细描述。

举例而言，可在学校的楼顶布置该闪烁探测器，在将固定支架固定在楼顶之后，再将闪烁探测器设于该固定支架上，即可实现闪烁探测器的固定，并配合其他配套设施，以组成单个观测站。在多个学校设置观测站并将多个观测站联络起来，以组成观测网络。

显而易见的是，将闪烁探测器布置在学校的楼顶，即可利用学校的电源、网络等现成的基础设施，相比于在旷野上建设观测站需要征地并进行基础设施建设，将闪烁探测器布置在学校的方式可减少资金投入。

另外，各闪烁探测器的信号的时间精度可优于2纳秒，也就是说，该闪烁探测器的测量精度较高。

如图1所示，信号处理器与各闪烁探测器相连接，用于接收、处理各闪烁探测器生成的脉冲信号并且记录下来。该信号处理器可包括天线、时钟单元、电子学单元、交换机和终端单元，其中：

天线用于接收授时卫星的时间信号，该授时卫星可以为GPS卫星或是北斗卫星，而授时卫星的数量至少为四个，以便能够根据各个卫星的时间信号的传输时间差对时间信号的精度进行校正。

时钟单元可包括NTP时钟服务器，该NTP时钟服务器与天线相连接，用于校对时间信号，并根据时间信号确定具有预定绝对时间精度的世界时，且该世界时的绝对时间精度优于100纳秒，以保证时间精度。举例而言，该世界时可以为格林尼治时间，当然，也很容易换算成北京时间，此处不作特殊限定。

电子学单元与各闪烁探测器相连接，用于接收脉冲信号，并将脉冲信号转换成数字信号。该数字信号为二进制信号，也就是说，数字信号可用0和1表示，以便于对信号进行存储、交换、加密等处理，此处不再详细描述。

需要注意的是，每个闪烁探测器都对应一个电子学单元用来接收脉冲信号，所以，电子学单元的数量和闪烁探测器的数量相等。此时，可将电子学单元放置在防水金属盒内，并将该防水金属盒固定在对应的闪烁探测器的固定支架上，以完成电子学单元的固定。

具体而言，该电子学单元可包括电路板、第一变压器和第二变压器，其中：电路板与闪烁探测器相连接，用于将脉冲信号转换成数字信号；第一变压器与电路板相连接，用于把交流市电变换成稳定的低压直流电，并为电路板提供该低压直流电；第二变压器与第一变压器及闪烁探测器相连接，用于将低压直流电变换成稳定的直流高压电，并为闪烁探测器提供该直流高压电。

易于理解的是，第一变压器连接在标准电源的线缆上，该供电线线缆用来提供标准电压，即220V交流市电，第一变压器将该220V交流市电转换成为直流低压电，第二变压器将第一变压器提供的直流低压电转换为直流高压电，具体的转换过程在此不再详细描述。

交换机和NTP时钟服务器及电子学单元相连接，用来接收NTP时钟确定出绝对时间精度优于100纳秒的世界时，并根据该世界时实时标定出电子学单元的绝对时间，再将该绝对时间传递给电子学单元。电子学单元接收到该绝对时间后，利用该绝对时间对数字信号进行标记，并生成数据记录，再将该数据记录传递给交换机进行汇总。同时，交换机也和终端单元相连接，交换机把汇总后的据记录传输给终端单元保存。

终端单元可与交换机相连接，用于接收并储存数据记录，并控制各闪烁探测器、天线、NTP时钟服务器、电子学单元和交换机的运行。

该终端单元可包括存储模块和控制模块，其中：

存储模块用来储存数据记录。举例而言，该存储模块可以为只读存储器(ROM)或是随机存取存储单元(RAM)，此处不作特殊限定。

控制模块用来控制各闪烁探测器、天线、NTP时钟服务器、电子学单元和交换机的运行。举例而言，该控制模块可以为CPU(中央处理器，Central Processing Unit)或GPU(图形处理器，Graphics Processing Unit)等，此处不作特殊限定。当然，该控制模块还可根据存储模块中的数据记录确定出宇宙射线的方向、能量等物理量，此处不再详细描述。

另外，终端单元中的控制模块还可用于监测各闪烁探测器、天线、NTP时钟服务器、电子学单元和交换机的运行状态，并每隔预定时间形成一个监测文件。举例而言，该预定时间可以为一小时，当然，也可以小于或大于一小时，此处不作特殊限定。

易于理解的是，可通过网络远程控制该终端单元，以实现宇宙射线的测量，具体控制过程在此不再详细描述。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种宇宙射线测量装置，其特征在于，所述宇宙射线测量装置包括：

多个呈阵列排布的闪烁探测器，所述闪烁探测器用于接收宇宙射线并生成用于反映所述宇宙射线的脉冲信号；

信号处理器，与各所述闪烁探测器相连接，用于接收、处理并记录各所述闪烁探测器生成的所述脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的宇宙射线测量装置，其特征在于，各所述闪烁探测器的信号的相对时间精度优于2纳秒。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述闪烁探测器的有效探测面积的取值范围为0.25平方米～1平方米。

4.根据权利要求1所述的宇宙射线测量装置，其特征在于，所述信号处理器包括：

天线，用于接收授时卫星的时间信号；

时钟单元，包括NTP时钟服务器，所述NTP时钟服务器与所述天线相连接，用于根据所述时间信号确定具有预定绝对时间精度的世界时；

电子学单元，与各所述闪烁探测器相连接，用于接收所述脉冲信号，并将所述脉冲信号转换成数字信号；

交换机，与所述时钟单元及所述电子学单元相连接，所述交换机用于接收所述世界时并根据所述世界时实时标定出所述电子学单元的绝对时间；

其中，所述电子学单元能够采集所述绝对时间，并用所述绝对时间对所述数字信号进行标记，以生成数据记录，所述交换机能够接收所述数据记录；

终端单元，与所述交换机相连接，用于接收并储存所述数据记录，且能控制各所述闪烁探测器、所述天线、所述NTP时钟服务器、所述电子学单元和所述交换机的运行。

5.根据权利要求4所述的宇宙射线测量装置，其特征在于，所述授时卫星的数量至少为四个。

6.根据权利要求4所述的宇宙射线测量装置，其特征在于，所述世界时的绝对时间精度优于100纳秒。

7.根据权利要求4所述的宇宙射线测量装置，其特征在于，所述电子学单元包括电路板、第一变压器和第二变压器；所述电路板与所述闪烁探测器相连接，用于将所述脉冲信号转换成所述数字信号；所述第一变压器与所述电路板相连接，用于把交流市电变换成稳定的低压直流电，并为所述电路板提供所述低压直流电；所述第二变压器与所述第一变压器及所述闪烁探测器相连接，用于将所述低压直流电变换成稳定的直流高压电，并为所述闪烁探测器提供所述直流高压电。

8.根据权利要求7所述的宇宙射线测量装置，其特征在于，所述直流高压电的电压值由所述终端单元控制。

9.根据权利要求4所述的宇宙射线测量装置，其特征在于，所述终端单元包括：

存储模块，用于接收并储存所述数据记录。

10.根据权利要求4所述的宇宙射线测量装置，其特征在于，所述终端单元还包括：

控制模块，用于控制各所述闪烁探测器、所述天线、所述NTP时钟服务器、所述电子学单元和所述交换机的运行。