本发明专利技术涉及一种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专利技术中的基本单元，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。本发明专利技术所述的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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于粒子探测技术，本专利技术的探測装置与方法用于相对论粒子的粒子数目及其能量的探測，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。
技术介绍
传统高能粒子探測器，为了测定带电粒子的到达时间及带电粒子的数目，通常采用闪烁体探測器。当带电粒子通过闪烁体吋，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，就可以测定进入探測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測器，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測器。其探測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測器中很快消耗其能量，停止了下来，此时其能量与其在探測器中行程长度成正比。而能量较高的粒子进入探測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，此时通过测定探測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測器，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測器的性能，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(増大采光面积)，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，大口径光电倍増管本身的体积过大，在小型探測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异。3、目前已有的水切伦科夫实验，只是由其単元探測器在ー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，无法区分进入探測器的带电粒子种类，如电子，U子，强子等。目前使用的水切伦科夫光探測器主要有日本人开发的大型地下水切伦科夫光U子探測器和美国人开发的地面水切伦科夫光粒子量能器，及冰中或水中探測。日本人开发的大型地下水切伦科夫光U子探測器，其结构如附图1所示地下ii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. 2mX7. 2mX1. 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U子探測器构成的阵列，如附图2中黒色部分所示，每ー个黒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U子探測器，总共有192台地下U子探測器。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測器的带电粒子数目。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，Y等)，只有较高能U子(1.3GeV)能穿过土层，所以具有探测1.3GeV以上能量y子的功能。该探测器只有单层结构，故无法记录粒子进入探測器不同深度阶段的物理图像，无法分辨进入探測器的粒子的种类(如Y，电子，U子，强子等等)。美国人开发的高海抜水切伦科夫探測器(HAWC)，其结构如附图3所示。高海拔水切伦科夫光探测器是ー个直径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)，分别是中间ー个10英寸的PMT和外围三个8英寸的PMT。高海抜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X 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測量入射粒子的能量。由于每台探測器中只有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，粒子在探測器上的入射位置及方向不同，就造成很大的测量误差，即通常所称的探測器的位置依存性。为了降低探測器位置依存性，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測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4纳秒的时间测量差异，此时若在内壁増加反射材料，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，这是粒子探測器所无法忍受的。这两难的选择，使得美国人只好采用探測器内不涂反射材料的方案。还有ー种对水切伦科夫光探測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，測量结果不准确。因此目前水切伦科夫光探測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，特别是探測器不具备辨别粒子种类的能力，无法区分进入探測器的带电粒子如电子、U子、强子等。而这些功能是检测一台探測器性能的最关键的技术指标。所以，本专利技术提出ー种gamma射线与宇宙线的探測装置与方法，解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术中提出ー种ga_a射线与宇宙线的探測装置，包括多台水切伦科夫光粒子探測器，水切伦科夫光粒子探測器是本专利技术的基本探测单元，所述水切伦科夫光粒子探測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測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増管，固定于水箱或水袋内部；所述波长转换光纤的切ロ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，每ー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本文档来自技高网...
【技术保护点】
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。
【技术特征摘要】
1.一种gama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O. 3 lm，称为薄层式探测...
【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：
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