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LHAASO-ED阵列标定方法的研究及优化

LHAASO-ED阵列标定方法的研究及优化

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作者：庞彬宇西南交通大学

学位级别：硕士

高海拔宇宙线观测站(Large High Altitude Air Shower Observatory,简称LHAASO)是目前世界上规模最大、灵敏度最高的复合型宇宙线地面观测站,一平方公里阵列(KM2A)作为LHAASO的主体阵列之一,主要科学目标是在10 TeV到100 PeV宽范围内精... 详细信息

高海拔宇宙线观测站(Large High Altitude Air Shower Observatory,简称LHAASO)是目前世界上规模最大、灵敏度最高的复合型宇宙线地面观测站,一平方公里阵列(KM2A)作为LHAASO的主体阵列之一,主要科学目标是在10 TeV到100 PeV宽范围内精确测量宇宙线能谱,并以目前世界上最高的灵敏度对100 TeV以上的伽马射线进行巡天观测。探测器标定是保障宇宙射线观测装置核心性能的关键环节,其中时间标定直接关系到能否在准确的方向上发现宇宙线加速源,电荷标定关系到宇宙线能量测量精度。一平方公里阵列拥有5249台电磁粒子探测器(ED)和1188缪子探测器(MD),标定如此规模的探测器尚无先例可循,依靠传统的硬件标定技术已不可行。KM2A组预先研究表明,离线标定技术是LHAASO-KM2A最理想的标定方式。基于此背景,本文提出了一种大型宇宙线阵列实验的电荷标定方法,该方法利用广延大气簇射(Extensive Air Shower,简称EAS)中的特征单粒子信号作为粒子源。为了抑制簇射中多粒子击中探测器产生的信号污染,本文首次提出利用探测器空置概率(Untriggered Probability)来估计簇射中单粒子信号击中探测器概率的分析方法。该方法的优点是不需要预先知道宇宙线原初成分模型和宇宙线经过大气时发生的相互作用模型,降低了模型自身不确定性对标定的影响。实验结果显示,利用这种方法可以将全阵列5249台ED探测到的粒子数准确度控制在2%以内,每4个小时即可完成一次标定,达到了很高的精度和效率。KM2A-ED时间标定采用了特征面(Characteristic Plane,简称CP)法,这套方法利用EAS中最早到达探测器观测面的次级粒子作为标定束流,来刻度ED之间的时间响应差异,五千多台ED的时间同步达到亚纳秒精度。本文对这套方法进行优化,在原方法基础上分析了由于电子学前沿定时设计导致的时间测量晃动(Time Walking)效应。在数据中校正了这个效应引起的～0.76ns的时间晃动后,探测器时间分辨得到提升。这种高效且不依靠硬件的标定技术不仅解决了大规模探测器标定面临的困难,而且为LHAASO-KM2A提供了一种理想的监测手段。本文通过ED标定参数的长期数据分析了探测器的稳定性,这些结果增进了对闪烁体探测器性能的理解。截至目前LHAASO-KM2A已经发现了十多个不同类型的超高能伽马射线对应天体源,开启了“超高能伽马天文学”的时代。这些物理结果也验证了标定方法的可靠性。

关键词：宇宙线 γ射线 LHAASO-KM2A 电荷标定地表辐射时间标定

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