移动式移动式 CherenkovCherenkov 望远镜望远镜李银柱 刘忠 杨睿云南天文台 抚仙湖观测基地云南大学 物理学院

台湾日月潭台湾日月潭

目 录目 录 一、项目背景 二、宇宙线与契伦科夫探测技术 三、 Cherenkov 望远镜设计 四、结论

一、一、项目背景介绍项目背景介绍项目名称： 大型高海拔空气簇射观测站 LHAASO

Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO)

科学目标： LHAASO 计划的核心科学目标是探索高能宇宙线起源以及相关宇宙演化、高能天体演化和暗物质的研究。

具体科学目标： 新 γ 源的发现，主要利用低能区水契伦科夫探测器完成。 高能 γ 源宽范围能谱的精确测量，发现银河宇宙线起源。 宇宙线能谱和成份的精确测量。 搭建空间和地面宇宙线测量大型设施（ TA 和 Auger ）之间 的桥梁，完成连续一致的测量。 探索银河系暗物质团状结构。 广泛开展大气、天文、气象、空间等交叉科学研究。

建设地点： 原定 ---- 西藏羊八井宇宙线观测站 现定 ----

终极目标： LHAASO 计划的实施将形成有多国参与的名副其实的国际高海拔宇宙线研究中心，成为具有很强的国际竞争力、独具特色和与现有国际三大宇宙线研究中心极好的互补关系的科学研究平台，占据国际领先地位。

LHAASO 正式合作成员单位：– 中国科学院高能物理研究所（总体单位）– 云南大学 （移动式（移动式 CherenkovCherenkov 望远镜）望远镜）– 中国国家气象局– 中国科技大学 北京大学 西藏大学 山东大学等– 中国科学院大气物理研究所 中国科学院空间中心– 中国科学院近代物理研究所– 中国科学院遗传与发育生物学研究所----

建设方案： 建设地面粒子阵列和探测器 阵列（ KM2A ） 测量在水中产生的 Cerenkov 光的探测器阵列（ WCD

A ） 28 台广角 Cherenkov 望远镜阵列（ WFCA ） 合作引进两台成像大气 Cherenkov 望远镜（ IACT ）

二、 宇宙线与契伦科夫探测技术二、 宇宙线与契伦科夫探测技术

宇宙射线的能谱

宇宙线探测方式：直接探测法—— 1014eV 以下的宇宙射线，探测器需要人 造卫星或高空气球运载，以避免大气层吸收宇宙射线。间接探测法—— 1014eV 以上的宇宙射线，由于通量小， 必须使用间接测量，分析原始宇宙射线与大气的作用来 反推原始宇宙射线的性质。

广延大气簇射各种探测技术示意图

Cherenkov 光辐射： 原初宇宙线粒子 大气原子核相互作用 次级粒子 更多次级粒子 继续发展… .. 广延大气簇射 Cherenkov 光

（广延大气簇射中绝大部分是带电粒子，这些带电粒子的速度如果超过空气中的光速时会辐射出 Cherenkov 光。果我们能够测量到簇射中 Cherenkov 光，就可以通过测量到 Cherenkov 光的特征来研究原初粒子的性质 . ）

Cherenkov 望远镜探测技术：

成像示意图

Cherenkov 望远镜探测技术： 契伦科夫望远镜接收的是高能辐射导致的次级光子。 获得的图象反映了簇射产生的切伦科夫辐射的方向、强 度在望远镜接收方向上的投影。 可以推测出引发簇射的伽玛光子能量与来源。 如果多架望远镜组成阵列，可以获取三维立体图象， 并最终确定出大气簇射的发生地。 技术水平可达到方向的确定误差小于 0.1 度，簇射位置 则精确到 10 米。

Cherenkov 望远镜

主要有光收集器（如反射镜子）、光电转换放大器

（如 PMT ）和电子学读出系统等组成。

国内外发展

CANGAROO 是伽玛射线天文台澳日合作研究组的缩写，基地建在澳大利亚的伍默拉（ Woomera ）。 1998年， CANGAROO 探测到了 1012电子伏的伽马射线，有力地支持了 X 射线的观测结果。 CANGAROO已经发展为四架口径为 10 米的伽马射线望远镜组成的望远镜阵列。 CANGARO0III2004年 3月开始运行。

惠普契伦科夫望远镜（惠普契伦科夫望远镜（ WHIPPLEWHIPPLE ）位于）位于美国霍普金斯山美国霍普金斯山，以美国天文，以美国天文学家惠普尔学家惠普尔 ·· 弗雷德弗雷德 ·· 劳伦斯（劳伦斯（ WhippleWhipple ，， Fred Lawrence1906—2004Fred Lawrence1906—2004 ））的名字命名。的名字命名。 WHIPPLEWHIPPLE 由多块反射面拼接而成，由多块反射面拼接而成，直径为直径为 1010 米米。。

HESSHESS （（ High Energy Stereoscopic SystemHigh Energy Stereoscopic System ），位于），位于西南非洲那米比亚首都温得和西南非洲那米比亚首都温得和克克西南西南 100100公里处海拔公里处海拔 18001800 米之处，米之处， HESS由 4 架相同的 13 米反射镜组成，它们排列在 120 米见方的地上。通过从略微不同的角度对同一股粒子流进行的合作观测研究，可以提供大气簇射的多重立体影像，重建入射宇宙射线的能量和方向。HESS希望将来能够扩展增加 8或 12 架望远镜。

MAGIC （ Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov telescope ，）位于非洲西北岸外帕玛群岛的加那利（ Canary ）岛，主镜面直径17 米，面积 240 平方米，可探测的最远距离为 80亿光年。 17 米的镜面用激光自动调整聚焦。 MAGIC 于 2004年正式运作，主要由 INFN 、 PADOVA 大学、 SIENA 大学和 UDINE 大学的研究人员参加。

西藏羊八井：两台 Cherenkov 望远镜分别位于 ARGO-YBJ实验阵列的西测和南测，它们之间的距离大约是 50 米，这种布局可以实现和 ARGO-YBJ 实验联合观测。

WFCA 望远镜 照片 准海运集装箱（内部尺寸： 2.9 m × 2.5 m × 2.38 m ）、底座和液压升降系统三部分组成

WFCA 望远镜 内部结构 16 × 16 的 PMT 阵列

羊八井两台样机：1 、望远镜主体： 1/4 海运集装箱2 、测量波段 :300nm—400nm 的紫外区域；3 、光收集系统 :5m2 的镀铝球面反射镜（ 20 面边长 =300m

m 的球面反射镜，反射率 82% ）；4 、焦平面成像系统由 256 只光电倍增 管阵列（ 16X16 路六角型 PMT ）组成；5 、望远镜视场为 14X16 度，仰角 0—60 度连续可调；6 、像元大小 :40mm

三、 三、 CherenkovCherenkov 望远镜设计望远镜设计

羊八井样机主要问题 望远镜设计有一定问题，成像不好 PMT 间隙及边缘效应 镜面加工工艺重新研究 探测器像元尺寸过大，像元数少 探测器灵敏度不够 系统需要全面优化更新

设计指标 （ 21+7 台） 车载海运集装箱移动式 整体尺寸大小： 2:9m 2:5m 2:38m 视场： 16 度 14 度 镜面材料：特种玻璃 镜面加工工艺：热压或冷压 镀膜：铝 +MgF2 ，波段：紫外 探测器像元： 19mm ， 32 32.

21 （ +7 ）台排列成像示意

图

Figure 1: (a) Layout of the WFCT with Fresnel lens. The component 1 is reflector, 2

is Fresnel lens and 3 is camera,(b) A Fresnel lens and its equivalent conventional con

tinu-ous surface optics with same focal length

1 、 The telescope with Fresnel lens

望远镜设计

Figure 2: Spot diagram for 2 filed positions of Fresnel de-

sign, left for 0◦ and right for 8◦. The circle in black with

diameter 15 mm is active size of a pixel

igure 3: Geometric encircled energy of Fresnel design.The position of strai

ght line is corresponding to the active. radius of a pixel

2 、 The layout of Davies-Cotton design

The layout of Davies-Cotton design

PMT 间隙及边缘效应

21mm 25.4mm

解决方案

六角棱锥或透镜阵列集光系统

初步原理性设计基本满足要求 需要进一步优化设计与仿真模拟 原理样机研制

结 论

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