广角切伦科夫/荧光望远镜激光定标系统研究

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宇宙线是来自宇宙深处的高能粒子流,携带着丰富的宏观宇宙、微观世界和空间环境的科学信息。对宇宙线的观测,能够让我们更清晰完整地了解我们的宇宙,探寻宇宙起源之谜,已经成为了当今社会的热点。正在筹划的大型高海拔空气簇射观测站(LargeHigh-Altitude Air Shower Observatory, LHAASO)计划,将要建在海拔4300m的西藏羊八井,是北半球最高的宇宙线观测站,具有得天独厚的地理优势。  本文针对广角切伦科夫/荧光望远镜阵列(Wide Field of view Cerenkov/fluorescenceTelescope Array, WFCTA),它是LHAASO的主要探测器,通过观测由宇宙射线产生的切伦科夫光和荧光,实现对宇宙线的间接探测。WFCTA由24台切伦科夫望远镜组成,在不同的阶段灵活布局,联合LHAASO的其他探测器实现,多参数、分能段,精确测量1014eV~1018eV的宇宙线分成分能谱。然而这种探测技术对大气质量要求比较高,大气的衰减作用严重影响着探测结果,为了实现更准确的能量重建,需要为望远镜设计专用的定标系统。  本文为望远镜设计了一个激光雷达,能够通过远程控制实现三个方向的精确转动。定标时,由激光雷达向不同的探测器指定方向发射脉冲激光,由望远镜接收大气散射光,根据望远镜阵列上得到的散射光信息,就可以反演大气散射衰减情况,从而降低望远镜的系统误差。  本文分析了目前已在羊八井工作的两台望远镜样机的定标实验,包括瑞利散射定标和气溶胶散射定标。其中瑞利散射定标选在晴朗无月的夜晚进行,此时气溶胶的作用可以忽略,通过比较望远镜接收到的能量和原始脉冲激光的能量,就可以实现对探测器的光子数定标,由探测器得到的光的能量反推出原始切伦科夫光的能量;气溶胶散射定标需要在以小时的尺度上连续监控,用参数反演法得到气溶胶垂直方向的衰减标高值、水平方向衰减以及散射相函数。  最后,在现有基础上,为新的定标系统建立了瑞利散射模型,得到不同角度下的计算仿真结果,为望远镜的大气散射衰减定标提供了理论依据。
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