水切伦科夫光高能粒子探测器制造技术

本发明专利技术涉及一种水切伦科夫光高能粒子探测器，其包括：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。光收集装置和光电转换装置安装在水切伦科夫光高能粒子探测器的内部。当入射到探测器中的带电粒子的速度大于光在水中的相速度时，将会产生切伦科夫光。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。本发明专利技术主要用于相对论性粒子的粒子数量及其能量的探测，应用于高能伽马天文及高能宇宙线的研究。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于粒子探测技术，特别是用于高能伽马天文与宇宙线物理探测的探测器。
技术介绍
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/Y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，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，如I、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、高速带电粒子在水中产生水切伦科夫光，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I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巳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，及冰中或水中探测器。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子探测器是一个7. 2mX 7. 2mX1. 5m的混凝土水池，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)。当带电粒子在介质的中速度超过光在该介质中的相速度时，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中、低能量的带电粒子(电子等)，只有较高能μ子能穿过土层，所以具有探测μ子的功能。但是2. 5m厚的土层同时也把低能的μ子过滤掉了，所以μ子探测器只能测量较高能μ子而不能测量低能μ子。而且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(如伽马、电子、μ子、强子 美国人开发的高海拔水切伦科夫探测器(HAWC)，其结构如附图2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和外围三个8英寸的PMT。其设计理念是通过较厚的水来测量入射粒子的能量，由于PMT只有4个，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。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I米的差异将产生5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，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，我们提出一种新的高能粒子探测器，解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术所述的水切伦科夫光高能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，以及波长转换光纤，所述波长转换光纤利用固定架固定在水箱或水袋内部。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。所述的漫反射膜为tyvek膜或其他反射材料。所述的水切伦科夫光产生装置注满纯水或净水后固定在水体中。所述光电转换装置还包括光电倍增管固定架、光电倍增管分压电路、高压电源、高压线、信号线；光电倍增管输出的电信号通过信号线输送到数据获取装置；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)、核仪器插件系统(NIM系统)、触发判选和数据存储系统。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。所述波长转换光纤在水箱或水袋中呈均匀或放射状分布。所述的高能粒子探测器放在水中进行探测。所述的光收集装置中也可省略波长转换光纤，直接采用光电转换装置中的光电倍增管接收光信号。优选的，水切伦科夫光高能粒子探测器的高度设计为O. 3 lm，即薄层式探测器，从而保证粒子的到达时间和能量测量的准确性；优选的，还可以将多个所述的薄层式探测器布置在竖直方向上，形成多层式的探测结构。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内部，在水箱内部的水中产生光子，所以不需要留有进光口，水箱完全遮光，防止水箱外部的光子进入水箱，造成干扰，及防漏光；内表面附有tyvek膜或其他反射材料，其能够漫反射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，其速度超过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水切伦科夫光高能粒子探测器，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，以及波长转换光纤，所述波长转换光纤利用固定架固定在水箱或水袋内部。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈鼎，
申请(专利权)人：中国科学院国家天文台，
类型：发明
国别省市：