在海拔5000米以上地区利用单粒子方法探测γ暴实验构想--基于水切伦科夫技术

在海拔5000米以上地区利用单粒子方法探测γ暴实验构想--
基于水切伦科夫技术
刘茂元;厉海金;扎西桑珠;周毅
【摘要】Ground extensive air shower experiment is powerless for detecting cosmic ray particles of tens GeV en⁃ergy renge in the GRBs (Gamma Ray Burst) so far, because of its threshold energy. The experimental altitude needs to be increased in order to achieve more effective observation. In the present paper, setting up a water Che⁃renkov detector array at 5200m altitude in Tibet was proposed and the idea of ground experiments on multi-GRB and tens of GeV photon observing can be achieved by using single-particle technology, and also can support
pre⁃dicting for large-scale experiments.%目前，对于伽玛射线暴（Gamma Ray Burst, GRB）的探测，地面广延大气簇射实验由于阈能原因，对几十GeV能区的宇宙线粒子探测无能为力，只有提高实验海拔才能实现更有效的观测。

文章描述了在海拔5000m以上地区建造水切伦科夫(WCD)探测器阵列，利用单粒子技术，来实现地面实验多GRB几十GeV光子的正观测设想，为大规模实验提供预言支持。

【期刊名称】《西藏大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2015(000)001
【总页数】5页(P105-109)
【关键词】伽马射线暴;单粒子方法;高海拔;水切伦科夫技术
【作者】刘茂元;厉海金;扎西桑珠;周毅
【作者单位】西藏大学理学院西藏拉萨 850000;西藏大学理学院西藏拉萨850000;西藏大学理学院西藏拉萨 850000;西藏大学理学院西藏拉萨 850000【正文语种】中文
【中图分类】V423
在海拔5000米以上地区利用单粒子方法探测γ暴实验构想
——基于水切伦科夫技术
刘茂元厉海金扎西桑珠周毅
（西藏大学理学院西藏拉萨850000）
摘要：目前，对于伽玛射线暴（Gamma Ray Burst, GRB）的探测，地面广延大气簇射实验由于阈能原因，对几十GeV能区的宇宙线粒子探测无能为力，只有提高实验海拔才能实现更有效的观测。

文章描述了在海拔5000m以上地区建造水切伦科夫(WCD)探测器阵列，利用单粒子技术，来实现地面实验多GRB几十GeV 光子的正观测设想，为大规模实验提供预言支持。

关键词：伽马射线暴；单粒子方法；高海拔；水切伦科夫技术
DOI:10.16249/ki.54-1034/c.2015.01.020
中图分类号：V423
文献标识码：A
文章编号：1005-5738(2015)01-105-05
收稿日期：2015-03-20
基金项目：2015年度国家自然科学基金项目“在西藏高海拔（＞5000米）基于
水切伦科夫技术利用单粒子方法探测几十GeV伽玛暴”（项目号：11463004）；2014年度西藏自治区地区自然科学基金项目“研制在西藏高海拔（＞5000米）
探测γ暴的水切伦科夫探测器”(项目号：Z2012A06G06/00)阶段性成果。

第一作者简介：刘茂元，男，汉族，河北南宫人，西藏大学理学院讲师，主要研究方向为宇宙线及γ天文。

引言
伽玛射线暴（Gamma Ray Bursts,GRB）是时间和方向都无法预知的来自宇宙深
处的伽玛射线突然增强的现象,持续时间约为0.01s～1000s,各向同性的辐射能量
高达10
51～10
54尔格,而太阳在100亿年里辐射总能量也只有1.2*10
51尔格,是宇宙中最强烈的爆炸，自1967年美国军事卫星Vela发现以来一直是天体物理中最活跃的领域之一。

但有关GRB的一些基本问题还存在激烈
的争议，如：GRB的起源是什么？是否存在银河系内的起源的GRB？
目前，人们对GRB的细致研究主要来自卫星实验，包括CGRO卫星、BeppoSAX 卫星、Swfit卫星、FERMI卫星等。

CGRO卫星（1991年～2000年）的发射升
空使GRB的研究取得了重大进展，探测到的2704个GRB空间各向同性，极大地支持了GRB宇宙学起源的结论
[1]。

BeppoSAX卫星
[2]（1997～2002年）陆续发现了一部分GRB伴随有X射线余辉、光学余辉以及射电余辉，并且多个GRB还被观测到红移，证明了GRB宇宙学起源
的结论。

Swfit卫星
[3-4]（2004年至今）的观测极大地推动了GRB的研究，使GRB的研究进入更深入细致的阶段，实现了短暴余辉的测量，并探测到了目前最高红移的GRB090423（z=8.26）。

2008年6月发射升空的FERMI卫星
[5-6]一定程度上改善了GRB高能辐射的实验观测，FERMI-LAT视场、角分辨和有效观测区域较以往的探测器大大提高，它已经从35个GRB中观测到
了高能γ射线辐射（≥20MeV）,其中有5个GRB观测到了10GeV以上的γ射线 [7]。

最近报道的一个令人振奋的实验结果是，在GRB130427A上观测到了94GeV的γ辐射
[8]。

总之，在KeV－MeV能区,CGRO，BeppoSAX/HETE-2及SWIFT等卫星实验已经有了丰富的研究，并且获得了突破性进展结果。

然而，在
高能区尽管有Fermi卫星实验,但由于它受到有效面积的限制，随能量升高，到达
地球的光子数急剧下降，虽然观测到了GeV能区的γ辐射，但也仅仅只有为数不多的几个，因此，Fermi不能对GRB高能辐射能段做精细的测量。

地面广延大气簇射实验以其大面积、宽视场、全天候的优点，也在努力搜寻TeV
能区GRB高能辐射，虽然看到一些辐射的迹象，但截止目前仍不能给出决定性的
结论
[9-11]。

受海拔的限制，地面广延大气簇射实验阈能一般大于几百个GeV，因此对GeV能区GRB高能辐射更是无能为力。

因为几十GeV能区的宇宙
线粒子，它的广延大气簇射发展过程在海拔4000米左右时已接近尾声，因此，只有到更高的海拔，比如5000米左右时才能实现更有效的观测。

图1 “簇射”模式与“单粒子”模式示意图，左图为“簇射”模式，右图为“单粒子”模式
1 基于水切伦科夫探测器的单粒子技术
目前，地面广延大气簇射阵列对于粒子天体物理的探测计数模式共有两种，一种是“簇射”模式，另一种是“单粒子”模式。

“簇射”模式可以通过簇射的前峰面得到初级粒子的方向和能量信息，而“单粒子”模式只记录在固定时间间隔内到达的次级粒子的个数，没有关于次级粒子到达探测器时的位置信息。

但要利用“簇射”模式必须要大面积的探测器阵列，造价很高，而“单粒子”模式有较小的探测面积也可实现，因为来自GRB中的高能光子到达大气层时产生广延大气簇射，有些能量不足以在观测面形成大量粒子的簇射，然而许多次级粒子在较短时间内还是有可能到达观测面。

如果在地面有一个粒子探测器，它将可以看到在此时刻本底事例率将有一个明显上升。

这项技术已经应用于塑料闪烁体阵列（如：玻利维亚的INCA 实验
[12]）和RPC阵列中（如：西藏羊八井的ARGO-YBJ实验
[13]）。

一方面由于海拔较低，另一方面由于塑料闪烁体和RPC只对次级粒子中约占10%的带电粒子敏感，占90%的光子不敏感，因此也都没有观测到GRB的爆发。

水切伦科夫探测器的原理是：当宇宙线或伽玛射线形成的空气簇射的次级产物，如伽玛光子、正负电子和m子等，入射到探测器水中时，会在水中发出切伦科夫光，这些光子会被放置在探测器里的光电倍增管接收并转换为电信号，经过电子学的处理，最终转化为数字信号。

水切伦科夫（WCD）探测器则对全部粒子敏感，研究显示，在海拔5200m地区到达地面次级粒子的事例率为
3kH/㎡，1个几十GeV的光子将在1平方米WCD探测器内产生约290个粒子，
将达到>5δ显著性，因此，用1㎡的WCD探测器将可以探测到几十GeV的光子。

2 实验站址
地球上海拔5000m以上地区总是与高寒、地势险恶、空气稀薄、大雪封山、交通不便、能源缺乏、远离人群和城市等困境相联系。

而位于喜马拉雅山北麓，山南地区浪卡子县东南部的普玛江塘乡是寻找到的一个非常优越的高山站址。

在藏语里，普玛江塘意为“（雪山）里头的草原”，该乡与不丹王国接壤，位于西藏山南浪卡子县境内，距离S307省道60km，从S307省道旁的一条沙土路可以到达，途经曾是西藏著名商品集散地的达隆镇。

普玛江塘乡平均海拔高度5373m，乡政府被誉为世界上海拔最高的乡政府。

2008年12月10日，中国移动西藏公司山南分公司成功开通了普玛江塘乡的卫星移动通信基站，自此，移动网络覆盖了该乡乡政府所在地。

因此，海拔5373m的普玛江塘乡满足了一个好的高海拔水切伦科夫实验站最需要满足的条件：一是便利的交通；二是有充足的电力供应；三是有便利的水资源；四是气候适合人类生存。

能完全满足这四个条件的实验站址非常难得。

图2 普玛江塘乡位置
3 实验结构
基于以上两节的考虑，本研究组计划在海拔5373m的西藏山南浪卡子县普玛江塘乡建造一个水切伦科夫探测器小阵列，作为全覆盖宽视场全天候的GRB望远镜，
用于几十GeV能区伽玛射线暴的观测。

整个阵列由3个直径7.2m、高1.5m的
单元探测器组成三角形阵列，间距为12.2m。

单元探测器主体结构见图3，由内
外两层的不锈钢圆筒、保温层、光反射层和灵敏探测器（PMT和电子学系统）5
部分组成。

由于普玛江塘乡冰冻天气持续期长，探测器保温是一个很重要的因素。

本实验所选水罐由内外两层不锈钢组成，中间填充30cm的聚胺脂保温层。

另外，地面冻土层下的土壤也是一个恒温的“保温箱”，水罐底部处于冻土层下，进一步保证了水罐水的保温效果。

关于此方案已在实验地做过长期的保温实验，能够解决探测器的水介质防冻问题。

为了更有效地收集宇宙线次级粒子产生的切伦科夫光，在水罐内使用了反射率高达95%以上的1082D型号Tyvek制成的圆桶状水袋，可以提高探测器性能，另外水袋还保证了里面高纯水的纯度，对信号稳定起了重要作用。

最后安装了灵敏探测器PMT和电子学系统。

PMT要使用不绣钢支架固定在底座下面，链接密封的信号线和高压线从顶部引出水罐，与外面的电子学系统链接，从而形成一个完整的探测器单元。

图3 单元探测器主体结构
4 小结
本文介绍了一种基于水切伦科夫探测器利用单粒子技术探测γ暴的实验构想，主要包括单粒子技术的介绍、实验地点的选择、探测器结构的布局等，期待尽早建成该阵列，以来实现地面实验多GRB几十GeV光子的首次正观测，并对其流强进行限制。

本文也为以后在此高海拔地区建造大型WCD探测器阵列提供预言支持。

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[13]A.Surdo et.al, First Measurements with the ARGO-YBJ
Detector[C].ICRC2003,ID:168.
Scheme of single particle technique using in detection of GRBs at altitude higher than 5000m in Tibet
Liu Mao-yuan Li Hai-jin Zhaxi-Sangzhu Zhou-yi
（School of Science, Tibet University, Lhasa 850000,Tibet）
Abstract：Ground extensive air shower experiment is powerless for detecting cosmic ray particles of tens GeV en⁃ergy renge in the
GRBs(Gamma Ray Burst)so far, because of its threshold energy. The experimental altitude needs to be increased in order to achieve more effective observation. In the present paper, setting up a water Che⁃renkov detector array at 5200m altitude in Tibet was proposed and the idea of ground experiments on multi-GRB and tens of GeV photon observing can be achieved by using single-particle technology, and also can support pre⁃dicting for large-scale experiments.
Keywords: Gamma Ray Burst; single-particle technology; high altitude region; Water Cherenkov technology
[责任编辑：索郎桑姆]。