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2021年07月09日
中国科大在蟹状星云辐射精确测量中发挥重要作用

我国高海拔宇宙线观测站(LHAASO拉索)成功测量出蟹状星云辐射的最高能量端能谱,实现了前所未有的超高能区(0.3-1.1拍电子伏)的精确测量,为该能区标准烛光设定了亮度标准。北京时间7月9日《科学》(Science)刊发了这一成果。高海拔宇宙线观测站是7个国家、32个单位共同合作参与的大科学装置项目,已经取得一系列重要研究成果。中国科大参与研制的水切伦科夫探测器阵列WCDA和地下缪子探测器阵列(KM2A-MD)是其核心探测单元。

图1:蟹状星云辐射的伽马射线能谱,WCDA和KM2A均为LHAASO的核心探测器。

我校核探测与核电子学国家重点实验室自10年前开始承担拉索核心探测器水切伦科夫探测器阵列WCDA和地下缪子探测器阵列(KM2A-MD)的大尺寸光敏探头研制,以及WCDA大尺寸光敏探头读出电子学的研制和工程实施工作。

如果说WCDA和KM2A-MD是拉索的“眼睛”,大尺寸光敏探头就是拉索的“视网膜”。为了保证天文观测的灵敏度和能谱测量的范围,WCDA和KM2A-MD分别要求大尺寸光敏探头和电子学在3和5.5个数量级的大动态范围内进行高精度的信号读出和测量,这在国际宇宙线探测实验中是极具挑战性的工作。我校核探测和核电子学国家实验室成功地解决了这一挑战。

图2:WCDA示意图,水池底为大尺寸光敏探头。WCDA探测器总面积为7.8万平方米,包含3120个探测器单元。每个单元充满4.4米深纯水,池底放置大尺寸光敏探头。KM2A-MD设计与WCDA类似,由1188个埋在地下2.5米深的面积为36平方米的大水池组成,池顶放置大尺寸光敏探头。

实验室李澄、唐泽波、江琨等带领的闪烁探测器研究团队分别针对WCDA和KM2A-MD的实验要求,经过大量模拟研究和实验验证,取得了多项核心技术突破,研制出满足实验各项要求的大尺寸光敏探头。WCDA的动态范围达到了3个数量级,KM2A-MD的动态范围达到了5.5个数量级。这是拉索能在很宽的能量范围内实现伽马射线能谱精确测量的核心保障。在实验室的深度参与下,关键部件光电倍增管实现了国产化并达到国际先进水平。研究团队还研制出一套高度自动化的大尺寸光敏探头高精度性能测量系统,对研制的每个大尺寸光敏探头的性能均进行了细致研究,保证了工程的质量和进度。

图3:WCDA大尺寸光敏探头和批量性能测量装置

项目负责人安琪、总工程师赵雷和副总工程师曹喆带领的WCDA大尺寸光敏探头读出电子学研究团队成功完成该系统的整体研制和工程实施,并完成四项重大技术突破。研究团队针对WCDA采用国产新型20英寸MCP PMT的新方案成功完成前端读出ASIC(专用集成电路)--PASC芯片的研制和优化设计(此前世界上无一款成熟ASIC芯片可满足此实验需求),并正式用于拉索工程中,这也是我国在大型宇宙线物理实验中首批使用的自主研制ASIC芯片。

图4:自主设计完成的前端大动态范围读出ASIC芯片—PASC

以及基于此芯片研制完成的电子学研制及安装

我校天文学系杨睿智教授也在拉索项目中担任物理协调委员会成员和年轻巨星团子课题协调人,在本次成果中参与了数据分析和唯象解释工作。

随着WCDA和KM2A-MD的持续投入运行,LHAASO拉索将产生越来越多的突破性物理成果。

论文链接:https://science.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.abg5137


(物理学院、核探测与核电子学国家重点实验室、科研部)

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