[发明专利]水切伦科夫光高能粒子探测器

说明书

技术领域

本发明属于粒子探测技术，特别是用于高能伽马天文与宇宙线物理探测的探测器。

背景技术

传统高能粒子探测器，为了测定带电粒子的到达时间及带电粒子的数目，通常采用闪烁体探测器。当带电粒子通过闪烁体时，闪烁体中的原子和分子在退激过程中会发出荧光，其光量与带电粒子的数目成正比。利用该原理，就可以测定进入探测器的带电粒子的数目。但闪烁体探测器价格昂贵(每平方米2万人民币左右)，所以无法满足大面积制作需求。在大型探测器领域，近年来开发成功的水切伦科夫探测器，由于具有价格便宜、p/γ鉴别能力强、灵敏度高等优点，开始部分替代闪烁体探测器。其探测原理是当相对论性带电粒子穿过纯水或净水时的速度大于光在水中的相速度时，会发出水切伦科夫光，此时在纯水或净水中装上大口径的光电倍增管，来收集水切伦科夫光。能量较低的粒子进入探测器中很快消耗其能量，停止了下来，此时其能量与其在探测器中行程长度成正比。而能量较高的粒子进入探测器中不但有较长的行程，而且还会发生二次簇射，产生更多的新粒子，新粒子的数目与入射粒子的能量成正比，此时通过测定探测器中产生的水切伦科夫光，就可以测定入射粒子数目及其总能量。总地来说，产生的水切伦科夫光与入射粒子的数目及所有粒子的总行程是成正比的。

如上面所介绍的水切伦科夫探测器，虽然用廉价的水代替了昂贵的闪烁体，使得成本有所降低，另一方面，目前大型水切伦科夫光探测器的性能，也仍有很多不尽人意的地方，如：

1、带电粒子在水中通过时每厘米仅发出300个左右的光子(闪烁体中，粒子每厘米行程可发出10000个光子)，因此，在水中收集光需要较大的光电倍增管的直径(增大采光面积)，然而大口径光电倍增管(直径50cm)价格是小口径光电倍增管(直径5cm)的十倍以上。而且，大口径光电倍增管本身的体积过大，在小型探测器方面根本无法使用。

2、高速带电粒子在水中产生水切伦科夫光，光的行进方向与粒子的行进方向成40度角。高速带电粒子每通过1厘米的纯水或净水，发出300个左右的光子，因此，在行进方向中心的部分有较高密度的水切伦科夫光，而远离行进方向中心的地方则密度较小或没有水切伦科夫光存在，因此在探测器中不同的部位探测到的水切伦科夫光的数目有较大的差异。

目前使用的水切伦科夫光探测器主要有日本人开发的大型地下水切伦科夫光μ子探测器和美国人开发的地面水切伦科夫光粒子量能器，及冰中或水中探测器。

日本人开发的大型地下水切伦科夫光μ子探测器，其结构如附图1所示：

地下μ子探测器是一个7.2m×7.2m×1.5m的混凝土水池，其表面覆盖有2.5米厚的土层，水池内表面涂有白色的反射层，水池的顶部中间有两个20英寸(直径50cm)的光电倍增管(PMT)。当带电粒子在介质的中速度超过光在该介质中的相速度时，就会产生切伦科夫光。该探测器就是利用PMT收集带电粒子在水中产生的切伦科夫光来探测进入探测器的带电粒子数目。该探测器设计成位于地下2.5m深。2.5m厚的土层可以过滤掉绝大多数中、低能量的带电粒子(电子等)，只有较高能μ子能穿过土层，所以具有探测μ子的功能。但是2.5m厚的土层同时也把低能的μ子过滤掉了，所以μ子探测器只能测量较高能μ子而不能测量低能μ子。而且该探测器只有单层结构，故无法记录粒子进入探测器不同深度阶段的物理图像，无法分辨进入探测器的粒子的种类(如伽马、电子、μ子、强子等等)。

美国人开发的高海拔水切伦科夫探测器(HAWC)，其结构如附图2所示。