高海拔宇宙线观测站(LHAASO)是国家重大科技基础设施建设项目,项目的核心科学目标是探索高能宇宙线起源并开展相关的高能辐射、天体演化甚至于暗物质分布等基础科学的研究。高海拔宇宙线观测站主要由四个不同类型探测器阵列组成,(1)5195个电磁粒子探测器(ED);(2)1171个缪子探测器(MD);(3)78,000平方米水切伦科夫探测器,分为3000个探测单元;(4)12台广角切伦科夫望远镜。电磁粒子探测器(ED)阵列和缪子探测器(MD)阵列组成有效探测面积为一平方公里的地面簇射粒子阵列,简称KM2A,是LHAASO关键主体探测器阵列之一。
由于ED探测器和MD探测器探测目标不同,探测方法不同,所以ED探测器读出电子学和MD读出电子学采用了不同的设计方案。
ED探测器读出电子学采用了基于电荷积分的高精度电荷测量方案和基于FPGA时钟分相技术的时间测量方案。ED电子学原理框图如下:
ED电子学原理框图
MD探测器读出电子学采用了基于高速ADC波形数字化的测量方案,使用两片500MHz采样频率的ADC芯片完成PMT阳极,打拿极输出信号的采样和测量,通过数字积分的方法完成电荷测量,通过数字甄别完成时间测量。MD电子学原理框图如下:
MD电子学原理框图
ED读出电子学样机,MD读出电子学样机经过前期预研、实验室调试及测试,以及在西藏羊八井高海拔野外环境进行长时间测试,验证了电子学设计方案及性能指标。2018年3月,ED电子学样机、MD电子学样机通过了LHAASO项目组组织的评审鉴定,专家组成员一致认为“ED电子学样机、MD电子学样机的性能指标已达到LHAASO工程要求,可以开展电子学设备的批量制作”。
根据LHAASO工程进度安排,ED电子学、MD电子学展开电子学设备的批量生产和现场安装工作。在2018年初,ED电子学完成了首批33台ED探测器在LHAASO现场的安装和调试工作。
ED探测器安装现场
33台ED探测器阵列安装完毕后,开始长期运行取数。阵列运行平稳,电子学表现出良好的测量精度和野外环境下温度稳定性和长期稳定性。通过对实验数据分析,测试结果符合预期。
ED输出电荷量长期稳定性(10个月数据)
重建天顶角、方位角分布
2018年底,安装调试完成首批10台MD探测器和41台ED探测器,10台MD探测器和74台ED探测器开始联合测试,并取得了首批宇宙线事例。
触发ED和MD阵列的一个宇宙线事例