雷暴电场对LHAASO观测面宇宙线次级光子的影响

LHAASO实验利用到达探测器的宇宙线次级粒子来获取原初宇宙线信息,而次级粒子中成分最多的是光子.雷暴期间,大气电场会影响次级带电粒子,进而改变地面光子信息.本文利用Monte Carlo方法,模拟研究了近地雷暴电场对LHAASO观测面次级光子的影响.模拟中使用了一个厚度均匀、方向垂直于地面的电场模型.结果表明,雷暴电场中光子的数目和能量变化显著,且依赖于电场强度.当电场为-1000 V/cm时,光子数目增加23%,能谱变软,当能量小于2 MeV时,数目增加超过29%.当电场为1700 V/cm时,光子数目呈指数增长,达到279%,能谱相较于-1000 V/cm变得更软,当能量小于2 MeV时,数目增加超过361%,符合相对论电子逃逸雪崩机理.这些变化主要源于电子被大气电场加速,数目增加(-1000 V/cm中增加65%,17000 V/cm中增加992%),能谱变软.同时,高能自由电子通过轫致辐射产生光子,导致光子的数目和能量也发生变化,且变化趋势与电子的一致.本模拟结果有助于理解雷暴期间LHAASO实验数据变化特点,并为大气电场加速宇宙线次级带电粒子的物理机制提供信息.

揭秘宇宙线起源:LHAASO的使命、挑战与展望

高海拔宇宙线观测站(LHAASO)是人类研究宇宙线最大的实验装置之一,其核心科学目标是寻找宇宙线的起源,不但要探测超高能伽马射线源,也致力于精确测量地球附近带电宇宙线的成分和能谱,系统地研究宇宙线的加速过程及传播机制。从发现12个超高能伽马源(标志着超高能伽马天文学领域的开启),到第一个星表的发布(展现出银河系丰富多彩的宇宙线加速源的候选天体),LHAASO已经为发现宇宙线起源奠定了良好的基础。此外,这些成果为后续的宇宙线加速机理和传播效应的研究指明了方向,同时也为现有理论与模型提供了精确检验的机会与挑战。文章概述了LHAASO项目的开展背景、望远镜主要结构及其在宇宙线物理学中的重大意义,并对其未来的研究方向进行了展望。

利用LHAASO实验检验相对论并探索新物理

中国高海拔宇宙线观测站(LHAASO)探测到了迄今最高能量的宇宙光子,其能量超过拍电子伏特量级,开启了超高能伽马天文学的新时代。LHAASO合作组完整记录了伽马暴GRB 221009A的全程爆发过程,首次测得来自伽马暴超出10 TeV的高能光子。这些发现不仅对人们理解宇宙线起源具有重要意义,也为检验相对论并发现新物理提供了很好的契机。文章简要介绍LHAASO的这些观测结果,并指出这些结果可在检验爱因斯坦狭义相对论中洛伦兹不变性、恒定光速的基本假设,以及探索新物理机制的研究中发挥重要作用。

雷暴电场对LHAASO观测面宇宙线次级粒子横向分布的影响

在雷暴电场的偏转作用下,宇宙线次级粒子到达探测面的位置将受到影响,其横向分布也将发生变化。本文采用Monte Carlo方法,研究雷暴期间LHAASO观测面(海拔约4400 m)宇宙线次级粒子横向分布的变化。结果表明,雷暴期间次级粒子的横向分布将变宽,其变化幅度与电场强度有关,与天顶角、原初能量也有很强的依赖关系。在–1700 V·cm–1的电场中,次级粒子横向分布的变化幅度在天顶角0°时为3.8%,天顶角50°时为34%;当原初能量约180 GeV时,次级粒子横向分布的变化幅度为9.9%,原初能量约560 TeV时,其变化幅度高达119%。本文的模拟结果可为理解雷暴电场偏转宇宙线次级粒子的物理机制、雷暴期间LHAASO中宇宙线数据的变化规律提供信息。

LHAASO缪子探测器电荷优化测量研究

高海拔宇宙线观测站(Large High Altitude Air Shower Observatory,LHAASO)主要用于探索高能宇宙线起源、高能天体演化以及新物理前沿等。其中的大面积缪子探测器(Muon Detector,MD)阵列,具有对原初伽马射线的高鉴别能力,能够完成超高能伽马射线的高灵敏度探测。缪子探测器通过阳极和第七打拿极两路信号共同读出的方式,实现1~10000个缪子的大动态范围探测。为了减小在阳极信号饱和后的区域,直接转换为打拿极信号进行测量的误差,提出了将阳极(阳极未饱和部分)和打拿极(阳极饱和部分)两部分信号进行拼接测量的电荷测量优化方案。通过数值模拟得出阳极与打拿极之间的连接方式,可以采用实验室标定的阳极、打拿极关系进行连接。数值模拟结果表明,该方案在1~10000个缪子的大动态范围内有效降低了测量误差,误差小于1%,缪子谱结构得到明显改善。利用全波形信号进行数据分析的结果与模拟结果很好符合,验证了该方案的有效性。

LHAASO-WFCTA激光能量测量系统的性能研究

高海拔宇宙线观测站(Large High Altitude Air Shower Observatory,LHAASO)位于四川省稻城县海子山,平均海拔4410 m。激光标定系统是LHAASO的广角切伦科夫望远镜阵列(Wide Field-of-view Cherenkov Telescope Array,WFCTA)的组成部分之一,用于标定广角切伦科夫望远镜阵列接收的光子数的绝对增益。激光标定系统中的激光能量测量系统由能量探头(Energy sensor)、能量计(Energy meter)和温控系统3部分组成,主要用于精确测量发射向广角切伦科夫望远镜阵列视场内的脉冲激光束的能量。主要对能量探头进行了相对标定和性能研究,并设计开发了保温系统来保证能量探头在环境恶劣的高海拔地区正常工作。通过能量探头之间的相对标定,可以提高激光能量测量的准确性。能量探头的性能测试结果表明,在以能量探头中心为圆心、直径为8 mm的圆形区域内,其不均匀度小于1.5%。激光束的入射角对能量探头测量激光脉冲能量几乎没有影响,但是垂直入射时能量探头反射的激光会损坏激光器,因此需要避免激光束垂直入射能量探头。此外,能量探头具有较强的温度效应。因此,独立开发了保温系统来保证能量探头的正常工作,以满足实验的要求。这些研究工作是激光标定系统进行正常工作和运行的基础。

LHAASO-WFCTA中高灵敏度雨雪传感器的研制

高海拔宇宙线观测站(Large High Altitude Air Shower Observatory,LHAASO)位于四川省稻城县海子山,平均海拔4410 m,属于典型的高寒山地气候,天气变化迅速。广角切伦科夫望远镜阵列(Wide Field of view Cherenkov Telescope Array,WFCTA)是LHAASO三大观测阵列之一,需要在晴朗的夜晚工作。为保证望远镜的正常运行,需要时刻检测雨雪情况,保证广角切伦科夫望远镜阵列在雨雪天气时及时关闭。但由于气温过低,传统的雨雪传感器在站点不能正常工作,因此需要改进仪器增加加热装置。通过实验室研究完成了加热装置设计,并在现场进行了实地检测。结果表明,高灵敏度雨雪传感器可以在站点低温环境下使探测表面温度保持在零度以上,可以实时有效地监测雨雪天气,为广角切伦科夫望远镜的正常运行提供了重要的支撑。

LHAASO地面粒子探测器阵列前端电子学初步设计

介绍了LHAASO地面粒子探测器阵列前端电子学的初步设计,讨论了电荷积分方案、基于FPGA的TDC设计和波形数字化方案。

LHAASO缪子探测器阵列读出电子学系统研制

本文介绍了LHAASO缪子探测器阵列读出电子学系统的设计,系统采用基于wR同步时钟系统的无触发、前端波形数字化方案。同时给出了西藏羊八井样机阵列的性能测试结果,结果表明缪子探测器电子学系统符合设计指标要求。

LHAASO-KM2A阵列探测器模拟软件设计

介绍KM2A模拟软件的设计。该设计基于Geant4建立由6 000多个探测器组成的LHAASOKM2A阵列,模拟各探测器对广延大气簇射中次级粒子响应,并通过优化模拟流程大幅降低软件运行时的内存需求避免内存溢出,通过简化部分模拟大幅提高软件运行速度,使软件满足实际需求。

LHAASO观测站中高低压电源模块性能的研究

大型高海拔空气簇射观测站（ LHAASO ）的所有探测器都将在羊八井进行宇宙线探测工作，其工作环境为高海拔（海拔4300 m）、低气压（大气压强0．6 atm）、昼夜温差大（温度-25-40℃）。即便如此，探测器依然要求稳定运行，为了保证光电倍增管的增益变化在5％以内，高压电源模块的温度系数和纹波系数要分别小于0．01％/℃和0．01％。为此，搭建了模拟试验系统，其试验箱中的温度和气压均可控。不同厂家不同型号的电源模块在模拟试验箱中进行了测试，试验结果表明，3个厂家的电源模块均满足要求。

雷暴电场对LHAASO探测面宇宙线次级粒子能量的影响

采用Monte Carlo方法,通过模拟研究了不同强度雷暴电场对LHAASO探测面宇宙线次级电子能量的影响.在电场作用下,电子的能量分布发生了变化.在低能段总电子数目增加明显,而在高能段电场的影响不明显.当电场强度为1700 V·cm-1(大于逃逸电场)时,能量<120MeV的电子被加速,能量<60MeV的总电子数目呈指数增长(增幅高达约2252%),雷暴电场对次级粒子的加速机制与相对论电子逃逸雪崩机制(RREA)相符.当电场强度为1000 V·cm-1(小于逃逸电场)时,能量<70 MeV的电子被加速,其数目明显增加,但是增幅(约86%)远小于逃逸电场时的幅度.对电场强度小于逃逸电场时的雷暴电场加速宇宙线次级粒子的物理机制进行了讨论.研究结果可为理解LHAASO实验数据特点以及研究雷暴期间宇宙线强度的变化等提供参考.

LHAASO-WCDA扩展系统电路设计

为了测量能量在100 Te V～10 PeV之间宇宙线粒子信息,提出了水契伦科夫探测阵列动态范围扩展系统。设计了水契伦科夫探测阵列动态范围扩展系统读出电路,该电路联合光电倍增管打拿极阳极读出,实现了10 000倍动态范围内高精度的电荷测量,时间测量精度达到20 ns,全量程内分辨率好于10%,线性偏差好于5%。

LHAASO实验中宇宙线次级粒子特性的模拟研究

高海拔宇宙线观测站(LHAASO)位于四川稻城海子山,海拔约4400 m,该实验采用多种手段,对进入大气层的宇宙线粒子进行精确的复合测量.高海拔区域,雷暴天气频繁,广延大气簇射中宇宙线次级粒子的数目、方向和能量都会受到雷暴电场的影响.本文利用Monte Carlo方法,模拟了宇宙线原初粒子进入大气层后的广延大气簇射过程,研究了次级粒子中光子、电子、μ子的纵向分布、横向分布和能量分布.结果表明,在LHAASO探测面,电子的数目比μ子多2~3倍、μ子横向分布范围比电子宽广、μ子的能量比电子大.若在雷暴期间,大气电场对电子(质量小、数目多)的影响将会更加明显.本工作对研究雷暴电场加速宇宙线次级带电粒子的物理机制具有重要意义,同时为理解地面实验的观测现象提供有用信息.

高海拔宇宙线观测站LHAASO概况

宇宙线发现百年以来,宇宙线起源仍然是一个谜.研究宇宙线起源主要在甚高能(VHE)伽马射线天文学和宇宙线物理学两个领域交叉展开.新一代高海拔宇宙线观测站(LHAASO)拥有高海拔、全天候和大规模优势,利用多种探测手段对宇宙线开展联合观测,大幅提升对伽马射线和宇宙线的鉴别能力.LHAASO将开展全天区伽马源扫描搜索以大量发现新伽马源,将获得30TeV以上伽马射线探测的最高灵敏度,将在宽达5个数量级的能量范围内精确测量宇宙线分成份能谱,为揭开宇宙线起源谜团给出重要判据.系统介绍了LHAASO的探测器结构、性能优势和科学目标.

LHAASO观测站晴天大气电场分布特征

晴天大气电场是研究全球大气电路和气候变化的重要参数.利用高海拔宇宙线观测站(LHAASO)的大气电场数据(2019年11月至2020年10月),研究高山区域晴天大气电场的日变化规律.结果表明,晴天大气电场的日周期变化具有双峰双谷的特征,峰值分别出现在北京时间12:00和18:00,谷值分别出现在7:00和13:00;峰谷出现的早晚因季节不同略有差异,同时,夏季的双峰双谷结构更明显、电场强度相对较大.对大气电场变化与气象参量(温度、风速、湿度)的相关性也进行了分析,发现晴天大气电场与温度的相关性最强,与湿度的相关性较弱.

LHAASO KM2A电磁粒子探测器电子学测试系统设计

设计了用于高海拔宇宙线观测站(LHAASO)KM2A探测器阵列中的电磁粒子探测器的电子学测试平台.设计包括三个模块,分别是RSC衰减器控制系统、数据采集系统和数据处理系统.采用LabVIEW对整体的平台进行程序编写,系统通过控制RSC衰减器来控制产生信号的幅度变化,通过TCP/IP协议接收数据并存盘,系统对数据进行处理与分析.本文从测试需求出发,详细介绍了电子学测试系统的设计方法与应用试验.试验结果表明:该系统满足测试需求,为LHAASO KM2A ED电子学提供了高效、智能且自动化的测试平台.

GPU并行过滤LHAASO-WCDA本底噪声

针对LHAASO-WCDA的高噪声率,开发了基于GPU的在线噪声过滤方法。该方法利用Nvidia公司的CUDA技术通过对天区的并行扫描,筛选出最可几天区再经过后续处理从而实现在线噪声过滤与数据压缩。实验测试结果表明:与传统CPU串行相比采用GPU的多线程并行处理后程序运行效率得到十倍以上的提升。通过该方法,相对较小规模的GPU服务器可代替大型的CPU集群,同时可以加强WCDA对瞬态源的监测。

LHAASO净水及超纯水制备控制系统的设计与实现

高海拔宇宙线观测站项目中的水切伦科夫探测器阵列(WCDA)和地面簇射粒子阵列的缪子探测器(MD)这两种探测器都需要水作为探测介质,并且对水质要求极高,基于此设计了一套以项目当地的天然地表水为原水,制备用于WCDA的净水和MD的超纯水系统。系统实现了对地表水中总有机碳(TOC)、溶解氧、颗粒物及悬浮物等物质的深度去除,最终以相对稳定的压力提供给WCDA和MD。给出了涵盖净水超纯水处理的工艺流程、设备选型、结构设计、控制系统设计、系统调试及信息化处理方式等。目前整套系统在满足水质要求的前提下已稳定运行。

基于嵌入式系统的LHAASO WCDA中TCP/IP数据传输接口设计

针对大型高海拔空气簇射观测站水切伦科夫探测器阵列,开展了前端电子学数据传输接口设计。基于实验数据率大、数据可靠性要求高的特点,进行了千兆以太网下的TCP/IP数据传输模块的设计。本文主要介绍了基于FPGA嵌入式系统的TCP/IP数据传输技术在LHAASO WCDA中的应用研究。实验结果表明:此数据传输模块数据率可达237 Mbps,满足应用要求。同时,还对此模块进行了24小时的传输测试,数据传输率保持稳定。