沙建军[1]2002年在《空间带电粒子谱的探测和研究》文中研究指明人类向空间发展是现代科学技术的重要方面之一，但空间存在辐射环境，这种辐射主要包括电磁辐射和粒子辐射。后者主要包括电子(E_e＜5MeV)、质子(E_p＜500MeV)和重带电粒子(通常指~(56)Fe以下的重离子)。这些粒子对飞行器的材料、电子器件、设备以及飞行人员安全等方面产生影响，尤其是单粒子效应所引起的故障尤为突出。 为了满足当前空间环境的探测需要，需要研制一台全频道的空间带电粒子探测谱仪，该谱仪能够同时测量空间质子、α粒子和重离子的能谱和通量分布。根据要求自动向地面发送空间不同位置的带电粒子通量和它与能量关系的讯息，主要用于近地空间辐射环境的探测和监测，为空间飞行器的抗辐射加固提供依据。 这套空间带电粒子谱探测系统主要有金硅面垒探测器、CsI闪烁体和改进的快响应电子学系统构成，包括ΔE-E望远镜系统和数据的获取及处理系统。在望远镜系统的设计上，采用多迭层望远镜系统扩大了测量粒子能量的动态范围，在粒子鉴别上采用ΔE_1和ΔE_1+ΔE_2的二维谱将粒子能量重迭最小化并且克服了能量交错问题，采用能量分区消除了ΔE的重迭问题，可以很好的识别不同种类较高能量的带电粒子。同时为了使得放大电路能够与该望远镜系统较好的匹配，我们在电子学系统的增益控制里对不同种类不同能量范围的带电粒子采用不同的增益。利用这套装置可探测的粒子的种类和能量分别如下：质子，能量范围为1-200MeV；α粒子，能量范围为1-200 MeV／u；氧离子，能量范围为1.7-496 MeV／u；铁离子，能量范围为2.5MeV-1.0 GeV／u。 利用α粒子、质子、氧离子、铁离子四种单能粒子对该望远镜系统和电子学系统进行性能测试和能量刻度。为了覆盖1 MeV-5.6 GeV的能量范围，增益系统分为叁挡，分别为1.0、1／3和1／12.75。实验结果表明：对于α粒子和质子ΔE_1探测器具有非常高的灵敏度和较好的线性关系。α粒子的能量刻度采用的是1／3档，在ΔE_1探测器中每道能量H_1=0.107 MeV／道，在ΔE_2探测器中每道能量H_2=0.123MeV／道。质子能量刻度采用1档，每道能量H约在0.0167 MeV／道，但是在ΔE_1探测器中的能量刻度随着能量的增加略有所下降，这是由于高能质子伴随有较多的核反应道对粒子探测产生了干扰，从而增加了在ΔE_1探测器中的能量沉积道数，使得每道能量略有所下降，另一个因素可能是探测器厚度的不均匀性的影响，但这并不影响对粒子的鉴别。在CSI晶体探测器中，质子每道能量H为1.047 MeV/道。对氧离子的能量刻度采用的是l八2.75的挡别，在能量范围「O一50 MeV〕有很好的线性关系，刻度出的每道能量H是1.1 MeV/道，然而当束流能量达到80MeV/道时，在△E，探测器中H值与前面能量点的数据符合较好，但在△E:探测器中沉积能量高于50 MeV时，电子学系统进入饱和状态。对铁离子而言，铁离子的四个能量点在△E，探测器中的能量均超过5() MeV，能量信号放大电路此时己进入饱和状态，当铁束能量为120 Me/时，离子进入到△匕2探测器中，此时在△EZ中能量沉积低于50 MeV，没有达到电子学系统的饱和值，能量刻度每道为1.1 MeV/道，这些与氧离子的标定结果是一致的，饱和只是对于低能重粒子会出现这种情况，对于中高能重离子这种现象就会消失。 根据能量刻度实验的结果，我们对四种带电粒子进行了测试，方法是首先计算粒子的总能量，确定该粒子所属的能区并计算△E，根据△E一E方法来鉴别带电粒子的种类。探测结果表明:质子、以粒子的能谱与实验用能量符合很好。从重离子的能谱中我们可以看到，在半导体探测器中的能量沉积大于50MeV时，将引起电荷灵敏前置放大器饱和。这种情况仅存在于低能的较小能区范围内，所以对重粒子而言，在该能区能量偏低。根据实验结果，建议对谱仪的望远镜系统中金硅面垒探测器由3个减为两个，这两个硅半导体探测器主要是用来作为鉴别粒子用，而Csl晶体主要是作为沉积能量用，通过调整探测器的厚度减少沉积能量，使放大电路不产生饱和现象，或通过降低粒子分辨能力来克服饱和现象。对于中高能重粒子则不存在这种情况。实际_}二低能重离子的饱和不影响在空间的使用，低能的重离子很难引起单粒子效应，如单粒子翻转(SEU)、单粒子锁定(SEL)、单粒子焚毁(SEB)。而主要是高能粒子引发单粒子效应。
王亚平[2]2008年在《超高能诱发核反应中的光子与μ子探针研究》文中提出探寻物质微观结构和质量起源,是物理学研究的前沿领域,已开展了大量的理论研究工作和高能实验工作。超高能诱发核反应实验主要包括超高能重离子碰撞实验和(超)高能宇宙线测量实验。强相互作用理论-量子色动力学(Quantum Chromo-Dynamics,简称QCD)预言,在高温或高密极端条件下,有可能产生退禁闭的夸克胶子等离子体(Quark-Gluon Plasma,简称QGP)。QGP有可能在系统碰撞后的极短瞬间存在,然后系统迅速膨胀并冷却到QCD相,最后演化成实验上观测到的末态粒子。依据“大爆炸(Big Bang)”理论,早期宇宙在大爆炸后极快的瞬间有可能发生从QGP相到QCD相的相变,然后经过迅速演化到现在这样的宇宙形态。因此,人类开展了超高能重离子碰撞实验,被加速的核束流越来越重,束流能量越来越高,末态能够达到的初始能量密度越来越高,粒子多重数越来越高。这为人类期望在实验室产生“小爆炸(Little Bang)”提供了可能性。另外,大型的高能宇宙线测量实验也在或即将开展,人们希望通过直接探测来自天体的宇宙线粒子,来解答宇宙线的起源及其加速机制,从而寻找宇宙天体间的相互作用和宇宙演化的答案。QCD相变和QGP形成的理论预言导致了超高能重离子碰撞实验。但由于QGP只在极短的时间(～1 fm/c量级)内存在,再加上复杂的核物质效应的影响,使得准确测定QGP存在的各种信号,成为目前和将来超高能重离子碰撞实验的主要研究方向。其中,产生于碰撞初期的电磁信号(光子和双轻子信息),由于不受末态强相互作用的影响,是较为“干净”的QGP信号。它们携带有系统早期行为的信息,能提供碰撞末态火球演化早期过程中温度最高时,与QGP产生相关的内部结构的信息。因此,电磁信号被认为是探寻QGP存在及其性质研究的重要探针。在高能宇宙线测量实验方面,同样由于电磁信号具有的这些特性,γ线和μ子及其中微子也是研究宇宙线起源及其加速机制的重要探测手段。本文研究了超高能诱发核反应中的光子与μ子探针及其探测和宇宙线大气簇射模拟。论文的第一章为超高能诱发核反应的简介,主要涉及超高能诱发核反应实验的背景、历史与现状,超高能诱发核反应中的动力学、软物理和理论模型,以及理论预言的QGP存在的一些可能信号。论文的第二章详细阐述了超高能诱发核反应中的光子和μ子物理以及在这方面取得的实验结果。光子可以在系统各个不同的阶段产生。产生于QGP中的光子,其产率和动量分布与QGP中夸克、反夸克和胶子的动量分布有关,而它们又由QGP的热力学性质决定。因此,QGP中产生的光子能很好反映它们产生那一时刻系统的热力学状态信息。双轻子不变质量分布的变化与系统初始夸克分布的变化近似,因而人们可以通过确定双轻子谱来确定QGP的初始温度。本章对光子和双轻子的产生机制分别进行了详细的理论阐述,并给出在超高能诱发核反应实验中光子和μ子方面的实验结果。欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)实验,将会产生比美国布鲁克海文国家实验室(BNL)的相对论重离子对撞机(RHIC)实验上密度更热、体积更大和寿命更长的系统,为QGP的形成和QCD相交信号的探测提供了有利的条件。LHC运行时将在大型重离子对撞实验(ALICE)探测装置区碰撞s~(1/2)=14 TeV的质子束流和、(s_(NN))~(1/2)=5.5 TeV的铅束流。ALICE上的光子谱仪(PHOS)具有良好的能量分辨率和位置分辨率,可以直接探测碰撞中产生的光子信号。论文第叁章对ALICE实验及其PHOS探测器作了简单介绍,然后详细叙述了ALICE/PHOS探测器的触发选判机制方面的模拟研究。基于AliROOT软件环境,利用PYTHIA和HIJING模型分别对LHC能区下p-p和Pb+Pb碰撞进行蒙特卡罗模拟,然后结合PHOS探测器的设计参数和物理需求,估算ALICE/PHOS探测器的探测效率和两种不同碰撞模式下的触发率。经模拟发现:触发效率随着被探测粒子的横动量的增大而呈指数衰减,并由于触发区域单元(TRU)的边界影响会导致触发效率下降约4%。在PHOS探测器的接受度范围(|η|≤0.13,Δφ=100°)内,在p-p无偏差碰撞中单举光子事件在1 GeV/c处的触发率可以达到约13 kHz;对于Pb+Pb碰撞,直接光子事件在5 GeV/c处的触发率只有几个Hz。本章开展的工作对于LHC/ALICE实验中光子实验数据的触发、判选与存储以及前端电子学系统参数的设置等具有直接的参考和指导意义。阻抗板室(RPC)探测器以其良好的时间分辨率和空间分辨率,且制作简单,价格便宜等特点,在超高能诱发核反应实验中应用十分广泛。论文第四章对多读出条RPC探测器的读出信号和串扰信号进行了PSpice模拟研究。依据RPC探测器的工作原理,本章提出RPC探测器的电子学计算模型,并基于该模型对多读出条RPC探测器的读出信号和串扰信号进行详细的电子学仿真研究。模拟结果和宇南线测试数据在读出信号幅度、相对串扰信号幅度和波形方面表现一致,并且模拟结果出现和理论与实验上相符的“Transparency”现象。RPC探测器的研制不仅对CERN/LHC具有重要意义,而且对其它高能实验物理的研究也具有重要意义。本章给出的电子学计算模型和定性结论对RPC探测器在高能物理实验中的广泛应用具有指导意义。宇宙线的起源及其加速机制是宇宙线物理研究中未被解决的问题。这些问题的的解答,有助于人们对宇宙及其起源有更深入的理解。另外,在气候、电子制造和生物学等领域,高能宇南线与物质的相互作用给这些领域带来的影响也引起了人们的关注。因此,人们开展了一系列与高能宇宙线相关的理论研究和大型宇宙线测量实验。其中,计算机蒙特卡罗模拟是定量研究宇宙线大气簇射的最简单有效的方法之一。论文第五章详细介绍本文基于Geant4环境开发的地球大气簇射模拟(EASS)软件包。EASS模型分别引入IGRF和Tsyganenko模型来描述地球内、外源场,其计算的磁场截止刚度与Shea-Smart理论计算值的平均相对误差为4.5%。EASS模型采用美国出版的“标准大气模型”数据对大气层进行精确定义。基于EASS模型,本章对高能宇宙线大气簇射过程的能量分布、径向分布和横向分布进行了模拟研究。这些方面的研究能给我们提供宇宙线空间分布和原初宇宙线粒子能量等相关的信息,通过EASS还可以定量研究地球磁场对大气簇射的影响。基于EASS模型的模拟结果与理论或实验结果一致,可以适用于地球大气簇射模拟。EASS模型相比于其它的宇宙线模型,主要特点是精确定义的大气层模型、地球内外磁衬Ｐ汀⑼瓯傅奈锢砉毯蜕读榛畹哪？榛绦蛏杓啤Ｍü鼸ASS模型还可以方便的研究地球磁场对地球大气簇射过程的影响。本章开展的工作能有效的帮助人们研究宇宙线大气簇射物理,并对高能宇宙线测量实验提供指导作用。论文的第六章为本文的总结。论文的附录对超高能诱发核反应实验中的软物理研究现状进行了系统的综述,从上世纪八十年代开展的BNL上交变梯度同步加速器(AGS)实验和CERN上的超级质子同步加速器(SPS)实验进行的固定靶实验,到上世纪末已经开始运行的BNL/RHIC实验和将于2008年运行的CERN/LHC实验。附录详细论述了软物理涵盖的碰撞几何、粒子产生、关联与起伏、集体膨胀和强子化这五个方面的研究现状,并对LHC上软物理的前景进行了展望。
沈国红, 孙莹, 荆涛, 梁金宝, 朱光武[3]2016年在《空间粒子方向探测器的简要介绍》文中指出空间带电粒子强烈受地磁场的束缚。根据理论和以往型号的探测结果,带电粒子方向以垂直磁力线为主对称分布。带电粒子各向异性分布,不同的入射方向,粒子的通量有数个量级的差异,粒子能量不同其分布差异也较大。结合粒子能谱探测和方向探测,同时利用地磁场的信息,可以准确的确定不同入射方向粒子能谱和强度数据。目前国际上对低轨道空间粒子的环境已进行了大量的探测,粒子的探测数据基本都是单方向的探测,现有的通用辐射带模型给出的是全向数据,没有方向的信息,并且模型采用的数据都是早期的探测数据。详细的空间环境探测,可为下一代的高精度地球辐射带模型积累数据,为我国空间环境保障研究提供探测数据。空间粒子方向强度随投掷角的分布是研究粒子捕获、扩散机制的重要参数。精细化的方向和能谱测量是新世纪空间物理创新发现研究的重要需求。本文介绍了新一代空间高能带电粒子探测器——空间粒子方向探测器,该仪器为我国最新研制的多功能、小型化带电粒子探测器。该仪器主要探测对象是轨道空间的高能带电粒子,包括辐射带粒子、太阳宇宙线粒子等,能够实现了空间带电粒子(高能电子、质子)的能谱范围及其方向分布的同时测量。通过测量磁力线平面内的粒子方向分布,来研究投掷角和粒子通量的关系,从而可以给出4π全向空间的粒子分布。空间粒子方向探测器的探测指标如下:1)16个方向高能电子(>10~0Ke V)、质子通量(1.5Me V~200Me V),探测视场为180~0×15~0;2)高能电子能谱(0.2Me V~10Me V,8能道),探测视场为300;3)高能质子能谱(3~30~0Me V,8能道),探测视场为40~0。空间粒子方向探测器是目前国际上首台全新的多向高能粒子谱仪,探测器集方向测量、能谱测量、通量测量功能于一体,实现了多功能测量。该仪器于2012年随天宫一号目标飞行器首次发射升空,在轨运行叁年,获得了大量的空间环境探测数据。此外,该仪器还被安排在硬X射线调制望远镜(HXMT)、天宫二号等卫星型号上,预计2016年底前发射上天,届时将进一步为空间环境探测及空间科学提供服务。
陈偲[4]2014年在《涂硼稻草管中子探测器若干问题的理论模拟与实验测试》文中指出随着科技水平的提高，中子探测在国防安全、医疗成像、航天航空等众多领域发挥着越来越重要的作用[1]。3He与热中子的反应截面大，是良好的热中子吸收材料，广泛地应用于热中子探测领域。近年来严重的供不应求导致了3He气体的价格不断攀升[2]，使得寻找替代3He正比计数器的新型中子探测器成为研究热点。涂硼稻草管中子探测器受到极大关注。涂硼稻草管是一种在薄壁稻草管基材内壁覆含有与热中子反应截面高的碳化硼(B4C)材料的圆柱形正比计数器。本课题主要针对以Al为基材，B4C为中子吸收体，直径为4mm，长1m的涂硼稻草管中子探测器的若干物理问题开展研究：着重关心热中子探测效率、位置分辨率两个技术指标。采用MCNP软件与matlab建模，计算了不同技术参数对单管涂硼稻草管探测器与多排涂硼稻草管阵列探测器的探测效率的影响。主要影响因素是：碳化硼(B4C)厚度和硼-10(10B)丰度。对单管探测器，模拟结果表明天然丰度碳化硼（natB4C）与90%富集碳化硼（enrichedB4C）, B4C厚度分别为4.0μ m和4.3μ m时探测效率达到最大，分别为2.997%和11.303%。对于多排阵列探测器模块，受到带电粒子α和7Li在B4C的能损长度影响，阵列排数越多，达到最高效率时对应的B4C层越薄。对天然丰度碳化硼（natB4C）稻草管探测器阵列和90%富集碳化硼（enrichedB4C）稻草管探测器阵列，B4C的优化设计厚度分别约2μ m和1μ m。50排天然丰度碳化硼稻草管或11排90%富集碳化硼稻草管的探测效率可达50%。用matlab建模计算了中子与特定能量的伽马在涂硼稻草管中的能量沉积情况，得到了不同涂硼厚度的涂硼稻草管的能量沉积谱，并研究了涂硼稻草管中子探测器的中子伽马分辨能力。实现了单管涂硼稻草管探测器，并实验测试了单管探测器的探测效率与轴向位置分辨率。结果表明，覆有1.38μ m90%富集B4C的单根稻草管的探测效率达到8%；涂有1μ m天然碳化硼稻草管工作在730V高压下、充纯氩气体的涂硼稻草管，轴向位置分辨率最好能达到7.267mm。
吴峰[5]2013年在《空间高能粒子探测器望远镜系统电子学研究》文中研究说明地球辐射带又被称为范艾伦辐射带,由地球附近的近层宇宙空间中包围着地球的高能带电粒子组成,与太阳活动和地磁场有着相当密切的联系。空间带电粒子探测是空间科学研究的主要手段之一,在太阳活动与空间灾害天气监测,雷暴活动与地球空间辐射环境耦合机制研究等领域具有重要意义。与地球电磁异常可能相关的空间高能带电粒子暴(particle burst)最早于上世纪八十年代在俄罗斯的MARIYA上被探测到,此现象后来陆续被别的卫星,如GAMMA及PET等证实。国际上第一颗地球电磁卫星(DEMETER)上的高能带电粒子探测器(IDP)的能量测量范围在70keV到2MeV之间,其在运行期间观测到了大量与人工VLF源、地磁暴、及雷电等因素相关的空间高能带电粒子异常现象。为了进一步研究地球电磁异常与空间高能粒子暴是否有明确相关性,从实验观测角度来说,需要对高能带电粒子能量测量向上延伸。中国电磁监测试验卫星高能粒子探测器所要探测的能量在100keV至50MeV的高能电子和能量范围在2MeV至200MeV的高能质子,对探测器和电子学设计都提出了比较高的要求。高能粒子探测器分为叁个探头,高能段探头(HEPP-H)、(?)低能段探头(HEPP-L)和太阳X射线监测器(HEPP-X),电子学系统涉及多种探测器信号的读出及处理。在导师指导下,作者独立完成了载荷整机电子学方案和触发逻辑的研究设计,并对信号处理流程和方法有较为全面的考虑,为各分系统的实现奠定了基础。并独立完成了望远镜系统原理样机电子学部分的研制工作,攻克了多项关键技术。高能粒子探测器望远镜系统由硅探测器构成,HEPP-L为金硅面垒探测器,HEPP-D为双面硅条探测器(Double-sided Silicon Strip Detectors,简称DSSD)。文章对硅探测器信号测量技术展开了深入的研究,设计了基于ASIC(Application Specific Integrated Circuit)的前端电子学系统。通过深入研究ASIC性能并加以灵活应用,解决了低噪声和高计数率等关键技术。并结合硅探测器和电荷灵敏放大器的特性,对电荷衰减及分配技术方面展开了细致的研究,取得了与理论研究相符的实验结果,确立了解决硅探测器与Front-end ASIC动态范围匹配问题的技术途径。为处理前端电子学系统数据,还设计了一套完整的地面数据处理系统,具有数据采集、预处理、控制、传输、实时能谱显示与处理等功能,在望远镜系统原理样机阶段的测试中工作良好。本文中硅探测器系统测试包含电子学性能测试和整机性能测试两部分。对电子学系统进行了噪声、线性和串扰测试,摸清了电子学性能。匹配硅探测器后,设计了放射源实验、宇宙线实验和激光实验等,实验结果显示系统工作良好。其中脉冲激光实验在国内硅探测器系统测试中属于首次尝试,并取得了初步结果。除此之外,为满足航天产品对可靠性和抗辐照性能的特殊要求,作者还专门为解决电子学系统的单粒子效应和电离总剂量效应设计了限流自恢复和星上自检等特殊功能电路,并设计了地面辐照实验方案。
张珅毅[6]2006年在《中高能粒子探测器的设计与研制》文中进行了进一步梳理随着人类空间科学的发展和科技的进步,空间粒子探测技术得到了高速的发展。空间粒子探测所涉及的领域也越来越多,空间物理现象和机制的研究需要粒子探测提供可分析的数据;空间粒子的通量和能谱变化为空间中的灾害性事件提供了警报;空间物理模型的建立需要大量的探测数据支持;载人航天事业的发展也需要空间粒子探测作为保障。因此对空间粒子的探测是人们进行航天活动的基本技术保障;是人们进行空间探测,研究太空物理学现象的基本方法;也是人们认识和研究太空,向太空进军的首要条件。因为中高能量段的粒子与很多物理机制和现象紧密相连,因此对该能段粒子的测量是人类粒子探测相对集中的区域。本文首先讨论的是在对中高能粒子探测器进行物理设计时所使用到的各种技术手段。它是粒子探测器设计好坏与否的关键,也是仪器创新设计的重要环节。为了连接低能粒子和高能粒子的中间能量段,本文详细论述了如何利用磁偏转的方法对中能电子进行测量。文章详实地描述了中能电子探测器的设计方案;介绍了中能电子探测器的方案特点和工作原理;给出了传感器的选择原则和尺寸,并通过蒙特卡罗模拟确定谱仪的能道划分;估算谱仪的测量精度;确定仪器的几何因子和计数率,最后给出了电子学部分的设计方案,并通过电路和放射源实验得到了一定的结论。这也是我国首次以中能粒子为目的进行的探测器设计。在高能粒子探测器设计方面,我国有成熟的技术。本文详细介绍了在现有技术的基础上具有创新性设计的一台高能粒子探测器。该探测器集方向测量,能谱测量,总剂量测量功能于一体,实现了多功能和小型化的成功组合。该仪器中还用到了加偏转磁铁这项新技术。文章还简要介绍了目前现在正在研制的两种新探测器设计,主要针对粒子的LET谱测量和空间中子的测量,这两个仪器是以前我国以前没有做过的。文章的最后详细介绍了在空间粒子探测器设计中的一项新技术,即加偏转磁铁屏蔽电子干扰的技术。通过物理的仿真模拟和最后的实验表明了该项技术的可靠性和实用性,该技术同样是我国首次完成该项技术的攻关,已运用到工程实践中。
龚德铸[7]2003年在《1.FY-2卫星的空间环境数据接收及警报系统 2.空间高能带电粒子谱仪设计方案》文中进行了进一步梳理空间环境主要指对天基活动构成影响的所有环境，包括各种能量、各种成分的带电粒子、中性粒子、各个波段的电磁辐射、磁场、微流星和空间碎片、温度、微重力场等等。涵盖的区域包括地球高层大气、电离层、磁层、行星际空间直至太阳。空间环境通过各种效应(如磁暴、太阳质子事件等)对在轨航天器的安全运行及航天员的健康构成了严重的威胁，对依赖于天基手段的通信、导航定位、军事侦察、目标识别、气象观测、资源勘探等等均有重要影响。 伴随太阳质子耀斑产生的X射线爆发，它以光速向地球传播而且不受地磁场的影响，它比质子流超前几十分钟甚至几十小时到达地球，利用二者在空间传播的时间差，以太阳X射线某些物理特征警报太阳质子事件是一种十分有效的手段。目前我们已经在质子加速过程中的硬X射线特征、质子耀斑X射线辐射统计(特别是硬X射线特征)等方面作了系统的工作，已获得质子事件前兆的太阳X射线特征，并提出了预报方法，已在FY-2卫星质子报警系统中加以了实施和验证。 FY-2卫星的空间环境数据接收及警报系统由2大系统组成：地基数据接收及解调系统、数据处理及警报系统。本文介绍了FY-2卫星探测数据的传输过程及接收处理。首先在FY-2卫星及探测器系统中，环境探测数据被收集、调制并发射，接着由地基数据接收及解调系统将数据信号放大、解调还原并发送，最后由数据处理及警报系统将数据接收处理、保存显示并对太阳质子事件、X耀斑进行自动电话报警。该系统是保障航天器安全和提高抗辐照水平的重要手段。
秦丽清[8]2016年在《J/Ψ辖射衰变中X(1840)性质与η’衰变的研究》文中指出在夸克模型中,强子由一对正反夸克或叁个夸克组成；而描述强相互作用的基本理论——量子色动力学(QCD)——预言胶球、混杂态和多夸克态这些新型强子的存在。因此在实验上寻找新型强子对检验和发展QCD具有重要意义,也是许多高能物理实验的重要物理目标之一。北京谱仪Ⅲ (BESⅢ)的工作能区在2 GeV至4.6 GeV,为τ-粲能区物理的详细研究提供了条件和机遇。J/ψ衰变一直被认为是寻找和研究新型强子的理想场所。利用BESⅢ实验采集的世界上最大的J/ψ数据样本,本论文开展了J/ψ衰变中新型强子的寻找和研究,并对轻介子η'衰变作了深入的研究。首先,本文利用BESⅢ采集的1.31×109个J/ψ事例,在J/ψ→γ3(π+π-)过程中确认了X(1840)的存在；同时,首次在3(π-+π-)不变质量谱上pp质量阈附近观测到了显着的“快速下降”形状,并采用了两种参数化方式对3(π+π-)不变质量谱进行拟合。第一种方案采用Flatte形式描述X(1840)的谱形,拟合给出g2pp/g02=3.68±0.57(stat.);gpp2/g02代表X(1840)衰变中pp衰变道的耦合强度和其它衰变道耦合强度之和的比值,说明X(1840)和pp衰变道有很强的耦合。第二种方案采用相干涉的Breit-Wigner函数描述X(1840)的谱形,拟合给出X(1840)的质量为M=1821.0±5.1±4.9 MeV/c2,宽度为Γ =71.1±12.0±13.9 MeV,级联衰变分支比为B(J/ψ→γX)·B(X→ 3(π+π-))=(1.29±0.09±0.22)×10-5;与X(1840)发生干涉的共振态的质量、宽度、分支比分别为M = 1877.3±3.4±3.0 MeV/c2,Γ = 33.4±7.3±4.5 MeV, B(J/ψ→γX)·13(X→3(π+π-)) = (0.76±0.05±0.14)×10-5,其统计显着性大于3σ。这两种方案都能合理地描述不对称的3(π+π-)不变质量谱,且以大于3σ的统计显著性观测到X(1840)和pp质量阈存在关联的迹象,这说明可能存在一个与质子-反质子耦合很强的粒子。其次,利用BESⅢ采集的1.31×109个J/ψ事例,对η'→γπ+π-的衰变机制进行研究。分别采用模型依赖和模型无关的两种参数化方式描述π+π-不变质量谱：模型依赖的研究表明仅考虑ρ(770)共振态的贡献或ρ(770)与ω两者的贡献,均不能描述实验数据。引入ρ(1450)共振态或者box anomaly的贡献后,模型能够较好地描述数据。但由于二者在η'衰变中的分布非常相似,目前,还不能完全确定额外的贡献是完全来自p(1450)或box anomaly.模型依赖拟合测得的ρ(770)共振态的质量、宽度与Crystal Barrel实验组的结果一致。本论文还对η'衰变到γρ(770)的分支比和η'通过ω、ρ(1450)(box anomaly)衰变到γπ+π-的级联分支比进行了测量,其中ρ(1450)(box anomaly)的级联分支比的测量为世界上的首次测量。模型无关的研究表明在认为η'→βπ+π-过程为P波贡献主导下,P波函数的二次展开项及ω贡献的引入都是必须的,ω信号的统计显著性大于34σ。最后,利用BESIII于2009年采集的2.25×108个J/ψ事例,对J/ψ→γη',η'→π+π-l+l-(l=e,μ)衰变过程进行了研究。在π+π-e+3不变质量谱上观测到一个清楚的η'信号,通过质量谱的拟合和详细的系统误差分析,我们测量了其衰变分支比为召(η'→π+π-e+3-)=(2.11±0.12±0.14)×10-3。该测量结果与理论预言值吻合得很好,同时也与CLEO实验组的测量结果在误差内一致,且测量精度得到显着提高。而在π+π-μ+μ-不变质量谱上没有观测到明显的η'信号,因此给出了分支比上限B(η'→π+π-μ+μ-)在90%的置信水平上小于2.9×10-5。
赵晓坤[9]2017年在《LHAASO实验中大动态范围光电倍增管性能研究》文中研究说明自1912年赫斯发现宇宙射线起,宇宙线的起源和成分一直是物理学研究的重要课题。通过大量的研究和探索,人们对宇宙线粒子的主要成分有了深入了解,相对而言,对于宇宙线的起源,以及它们的加速机制、传播机制等基本问题至今没有较准确的答案。因此,通过测量高能宇宙线的成分、能谱与入射方向,以寻找原初宇宙线来源是宇宙线物理研究的核心问题。针对上述核心问题,我国物理学家提出在四川省稻城县海子山海拔4410 m处建设一个大面积高海拔宇宙线观测站(LHAASO),用以探索高能宇宙射线起源、全天区扫描伽马射线源以及研究洛仑兹不变性破坏、暗物质和量子引力等新物理。LHAASO探测器由覆盖超过1 km2的地面簇射粒子阵列(KM2A)、总面积达78000m2的水切伦科夫探测器阵列(WCDA)和12台广角切伦科夫望远镜(WFCTA)构成,使用几种不同的观测手段,实现对宇宙线的精确测量。其中WCDA位于LHAASO探测器中心位置,主要是在甚高能中低能段(100 GeV-30TeV)对整个北天区伽马源巡天观测。WCDA使用水切伦科夫探测技术,由3000个单元探测器组成。每一个单元探测器的水池体积是5 m × 5 m × 4.4 m,水池底部中央放置一个8-9 inch的光电倍增管(PMT),用于接收宇宙线次级粒子在水中产生的切伦科夫光。作为探测器单元的读出元件,PMT性能好坏直接影响到WCDA的性能。基于WCDA的物理目标以及蒙特卡洛模拟,WCDA要求PMT既要具备良好的单光电子分辨能力(峰谷比>2.0),又要具备大的线性动态范围(1-4000 PE),同时要求时间响应快(TTS<4.0 ns)、噪声小(<5kHz@1/4PE)等。其中,1-4000 PE的线性动态范围远远大于一般PMT读出电路(按照厂家提供的分压)所能达到的动态范围,也要比国际上的同类型实验中PMT所能达到的动态范围大的多,是WCDA设计中需要解决的关键问题。论文的主要工作是针对WCDA对PMT提出的要求,分别对叁种候选大面积光电倍增管XP1805、CR365和R5912设计大动态范围读出电路。详细研究了大尺寸PMT各项性能参数的测试方法,包括增益、高压响应、渡越时间分散、暗噪声计数率、后脉冲率和非线性,通过大量实验确定各候选PMT读出电路设计方案。测试结果表明,叁种候选PMT在专门为其设计的分压与读出电路下,各项性能都可以满足LHAASO-WCDA的需求,解决了 WCDA研制中的关键问题,并通过积累各PMT参数数据,为WCDA-PMT最终定型提供参考。LHAASO-WCDA由3000个单元构成。整个WCDA 一共需要3200支PMT(加上备用)。这些PMT在被安装之前,需要对它们各方面的性能进行详细的测试。论文的另一个主要工作是针对WCDA大量PMT的测试需求,搭建了大尺寸PMT批量测试系统,解决了批量测试中遇到的关键问题,如光源问题(匀光分光、LED和皮秒激光之间的切换)、信号处理、不同测试项之间的切换、控制等,并提出了完整的PMT性能批量测试方案,整个测试过程除在单光电子测试与非线性测试之间需要一次手动调节选通器开关外,其余都可以通过软件控制实现。使用批量测试装置对候选PMT样管进行了小批量测试,结果进一步验证了此测试装置与测试方案的可行性,各项测试精度可以满足WCDA的需求指标。LHAASO实验的另一主体阵列KM2A用于探测空气簇射中的电磁粒子和缪子,包括电磁粒子探测器阵列(ED)和缪子探测器阵列(MD)。其中MD同样采用水切伦科夫探测技术,分为1171个探测单元。每个单元的水袋顶部同样安装一个直径8-9 inch的半球形PMT,用于接收切伦科夫光。模拟表明MD单元至少要实现1-10000个缪子的动态测量范围,要求PMT输出线形电流达到1.6 A以上。这是MD设计需要解决的关键问题。针对MD对PMT性能的特殊要求,为候选光电倍增管R5912和XP1805分别设计了分压与读出电路,经过大量的实验验证,最终确定了可行的设计方案。性能测试结果表明,两种候选PMT在该设计方案下信号输出都能够达到1.6 A以上动态范围。针对MD实验1200多支PMT的测试需求,以及其与WCDA-PMT批量测试上的异同,将WCDA-PMT批量测试系统扩展到MD-PMT的批量测试中,并提出了完整的批量测试方案。论文研究过程中,对宇宙线物理以及宇宙线物理研究的核心问题和相关实验方法进行深入调研。研究工作针对我国LHAASO实验计划,以及两种探测器阵列(WCDA与MD)对大动态范围PMT的性能需求开展多方面的研究。提出了各候选PMT大动态范围读出设计方案,解决WCDA与MD读出设计的关键问题;研究和优化了 PMT性能指标测试方法,为PMT的批量测试奠定基础。这些研究对于LHAASO项目建设具有重要意义。
张弛[10]2015年在《粲偶素辐射跃迁及不可见衰变的寻找》文中研究表明粲偶素能谱及其衰变是研究处于微扰和非微扰QCD能区之间的过渡区域的强相互作用动力学的理想场所。在过去的几十年间,粲偶素能谱及其衰变的测量取得了一系列重大的成果,为唯象模型提供了重要的实验约束。ψ(3770)是位于粲介子对打开阈值之上的最轻的粲偶素共振态,被认为是由13D1和23S1态混合而成的面系统。ψ(3770)曾被认为几乎全部衰变到纯净的DD末态,直到BES合作组观测到了首个非DD强子衰变模式寻找其他的非DD衰变已经成为了近些年来的热门课题。中间态介子圈模型给出了这两个非DD衰变分宽度的理论计算：和此理论模型给出的误差范围较大,急需实验测量的结果给予检验。最近,BEPCⅡ上的BESⅢ探测器在3.773 GeV上累积采集到积分亮度为2.92 fb-1的数据,这就为我们观测ψ(3770)和ηc(ηc(2S))之间的辐射跃迁提供了机会。综合考虑到的衰变率和本底水平,在BESⅢ上我们选择利用的衰变模式作为首次尝试来寻找ψ(3770)辐射跃迁到过程。由于没有观测到明显的信号事例,我们给出了90%置信度水平的联合分支比上限：如果结合我们的结果和的世界平均测量值,我们得到90%置信度水平的分支比上限：此测量的分支比上限值在理论预期的范围之内,但是并不能挑战理论预言。在此分析中,我们也利用衰变模式测量了E1跃迁过程的分支比作为分析方法的检查,利用过程测量了强子衰变的分支比,结果分别所测量的的结果在倍标准误差范围内是一致的,然而,测量的值在一倍标准误差范围内不一致。夸克偶素(比如J/ψ、T等)以及其他介子的不可见衰变为寻找标准模型(SM)之外的新物理提供了平台。这是因为在标准模型框架下,唯一允许的夸克偶素不可见衰变模式是通过湮灭成一个虚Zo玻色子衰变到中微子对vv。标准模型同时也预言了分支比：然而,如果实验上观测到信号的增强,将意味着标准模型之外的新物理的存在。比如通过传递一个自旋为1的电中性规范玻色子U衰变到轻暗物质(LDM)粒子,可以极大地提高夸克偶素的不可见衰变率。这就是我们寻找J/ψ不可见衰变的动机。我们利用BESⅢ获取的衰变事例,通过ψ(2S)→π+π-J/ψ跃迁过程来研究J/ψ粒子的不可见衰变。我们从事例中重建出两个低动量的π介子,利用π+π-的反冲不变质量谱标记J/ψ粒子,并要求在π+π-J/ψ候选事例中没有多余可探测的粒子。同时,我们也遍举重建出事例,通过计算相对分支比B(J/ψ→invisible)/B(J/ψ→μ+μ-)来减少系统误差。扣除相应的本底后,我们并没有发现明显的不可见衰变事例,因此给出90%置信度水平的相对分支比上限：由于数据统计量的提高和分析方法的改善,与之前BESⅡ的测量结果相比,我们给出的上限几乎提高了一个数量级,更加接近于标准模型的预言。
参考文献：
[1]. 空间带电粒子谱的探测和研究[D]. 沙建军. 中国原子能科学研究院. 2002
[2]. 超高能诱发核反应中的光子与μ子探针研究[D]. 王亚平. 华中师范大学. 2008
[3]. 空间粒子方向探测器的简要介绍[C]. 沈国红, 孙莹, 荆涛, 梁金宝, 朱光武. 第33届中国气象学会年会 S17 空间天气科学与业务的融合发展. 2016
[4]. 涂硼稻草管中子探测器若干问题的理论模拟与实验测试[D]. 陈偲. 清华大学. 2014
[5]. 空间高能粒子探测器望远镜系统电子学研究[D]. 吴峰. 中国科学技术大学. 2013
[6]. 中高能粒子探测器的设计与研制[D]. 张珅毅. 中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）. 2006
[7]. 1.FY-2卫星的空间环境数据接收及警报系统 2.空间高能带电粒子谱仪设计方案[D]. 龚德铸. 中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）. 2003
[8]. J/Ψ辖射衰变中X(1840)性质与η’衰变的研究[D]. 秦丽清. 山东大学. 2016
[9]. LHAASO实验中大动态范围光电倍增管性能研究[D]. 赵晓坤. 中国科学技术大学. 2017
[10]. 粲偶素辐射跃迁及不可见衰变的寻找[D]. 张弛. 南京大学. 2015
标签：核科学技术论文; 宇宙起源论文; 地球质量论文; 宇宙模型论文; 质子质量论文; 测试模型论文; 物理论文; 宇宙学论文;