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光电倍增管位置响应的标定和μ子探测器的模拟

作　者: 陈利红
导　师: 崔树旺
学　校: 河北师范大学
专　业: 天体物理
关键词: 大型高海拔空气簇射观测站(LHAASO) μ子探测器模拟优化样机光电倍增管位置响应
分类号: O572.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

羊八井国际宇宙线观测站位于我国西藏地区的羊八井镇,占据着高海拔(4300米)、优良后勤支持和现有国际先进实验的优势地位。基于现有的实验条件,大型高海拔空气簇射观测站(LHAASO)项目将在羊八井投入建设。LHAASO项目将采用多种探测手段、扩展探测器的有效面积,通过实现复合观测、精确测量的方式,研究高能宇宙线起源、宇宙线演化以及其它的重大物理学前沿问题。1平方公里地面簇射粒子阵列(KM2A)是LHAASO项目的主体阵列,其中包括5137个电磁粒子探测器(ED)和1209个μ子探测器(MD)。在当前的预先研究阶段,两种探测器样机的优化设计和性能测试是重点研究内容。本文的工作正是围绕以下两个方面展开的: 1)拟用于上述两种探测器中的不同尺寸的光电倍增管的均匀性研究;2)μ子探测器的优化设计和样机性能测试。由于光电倍增管阴极位置响应的均匀性是影响探测器能量分辨的重要因素之一,为实现研究多种候选的光电倍增管的光阴极均匀性的目的,实验室开发了一套由步进电机驱动器和二维移动平台组成的光电面扫描系统。该系统的控制程序基于Linux操作系统,方便实用,运行可靠,与稳定的数据采集系统相结合,在实验上出色地完成了对不同光电倍增管的均匀性的测试任务。实验结果显示不同类型的光电倍增管有着不同的均匀性分布特点,同时实验结果也表明光电倍增管的均匀性特点主要与光电倍增管内部结构以及管内电场分布结构等因素有关,对这些因素的研究将为光电倍增管的选型提供重要的参考依据。利用基于Geant4软件对探测器的模拟,我们在μ子探测器的优化设计方面做了大量工作。模拟过程中,我们使用水吸收长度、Tyvek反射系数以及光电倍增管性能等参数,结合电子、光子成分带来的punching-through效应等因素的影响,初步给出了μ子探测器的优化设计方案,给出探测器大小(直径、深度等)以及探测器上面覆盖的吸收层(土层)的厚度等设计指标。同时,为切实了解探测器的性能特点和检验模拟程序的结果,我们在实验室中搭建了一个小型的μ子探测器样机,测试宇宙线μ子,并对其输出信号进行长期测量、监测。实验结果证实了模拟程序的可靠性,并深入了解了μ子探测器的运行特点和水质的变化规律。所有这些工作都为今后深入研究原型μ子探测器样机的特点提供重要的指导作用。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
1 引言  10-18
  1.1 宇宙线能谱  10-11
  1.2 广延大气簇射（Extensive Air Shower）  11-12
  1.3 地面实验装置  12-15
  1.4 未来实验LHAASO 项目  15-18
2 KM2A 阵列μ子探测器  18-22
  2.1 KM2A 阵列的总体规划  18
  2.2 μ子探测器  18-22
    2.2.1 塑料闪烁体μ子探测器的设计  19
    2.2.2 水契伦科夫μ子探测器的设计  19-22
3 光电倍增管位置响应的标定  22-30
  3.1 光电倍增管的介绍  22-23
  3.2 光电倍增管位置响应的标定  23-30
    3.2.1 光源的设计  24-25
    3.2.2 平台系统的设计和数据获取  25-27
    3.2.3 实验测试的结果  27-30
4 μ子探测器的模拟优化  30-38
  4.1 水契伦科夫辐射  30-31
  4.2 μ子探测器的结构优化.  31-33
  4.3 探测器模拟的结果  33-38
    4.3.1 吸收层 Dirt 的模拟结果  33-35
    4.3.2 探测器主体Tank 的模拟结果  35-38
5 μ子探测器样机的测试  38-46
  5.1 μ子探测器样机  38
  5.2 水质的保持  38-42
    5.2.1 水的衰减长度  39-40
    5.2.2 水质的保持  40-42
      5.2.2.1 水质的保持  40
      5.2.2.2 材料的选择  40-42
  5.3 探测系统的搭建  42-46
    5.3.1 探测器样机模拟的结果  43-44
    5.3.2 实验测得的结果和数据分析  44-46
6 总结和展望  46-48
参考文献  48-50
发表文章目录  50-52
致谢  52

光电倍增管位置响应的标定和μ子探测器的模拟

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