羊八井太阳中子望远镜

0　引言

太阳在峰年期间的剧烈活动将会出现许多比较强的太阳耀斑,伴随这些强耀斑可能产生在地面能观测到的太阳中子。太阳中子不受太阳磁场和日地间磁场影响,是直接来自太阳耀斑处的粒子,携带着太阳耀斑加速粒子的大量信息。为了在23太阳黑子活动周对太阳中子进行观测,一个覆盖全球的太阳中子望远镜观测网被建立起来。以位于日本乘鞍山的中子望远镜作为中心站,这些站点(表1)的经度分布使能在24h内不间断地跟踪观测太阳。其中的Tibet网点的9m2太阳中子望远镜,由高能所与日本东京大学、名古屋大学等合作,于1998年在西藏羊八井建成,它与羊八井现有的28支NM-64组成的中子监测器联合对太阳中子观测。中子望远镜是专为探测太阳中子而设计,克服了中子监测器不能测定入射粒子能量,不能确定入射粒子方向,也无法区分中子与其他荷电粒子这些弱点。羊八井海拔为4300m,相应的大气深度为603g/cm2,相比于大气深度为1033g/cm2的海平面,中子在羊八井受到的衰减大约是在海平面的1/100,所以羊八井所处地理位置特别适合太阳中子的探测。

1　实验装置

羊八井中子望远镜的结构见图1,它由塑料闪烁体和正比计数管组成。每块闪烁体面积为1m×1m,厚40cm,正比管直径为10cm,长3.3m,管内充PR气体(Ar 90%,CH410%)。中子望远镜可分为三部分:用于区分或排除带电粒子的反符合正比计数管、测量入射中子能量的闪烁探测器及确定入射中子方向的由多层正比计数管组成的望远镜。用于排除带电粒子的反符合正比计数管放置在中子望远镜的最上层及周围,当带电粒子穿过正比计数管时,正比管的输出脉冲识别出带电粒子并通过反符合电路去拒绝它触发记录装置。测量入射中子能量的闪烁探测器由9个排列成面积为3m×3m的闪烁探测器构成,入射中子在闪烁体中产生的反冲质子激发的荧光被光电倍增管(HPKR1512)收集放大,倍增管输出脉冲经甄别分成4个级别,分别对应反冲质子能量40MeV(E0,-40mV)、80MeV(E1,-80mV)、120MeV(E2,-120mV)、160MeV(E3,-160mV),然后被分别输出到计数器进行记录。确定入射中子方向的望远镜部分由4层正比管和两层分别厚10cm,密度0.8的木吸收层组成。只有能量高于240MeV的中子在闪烁体内产生的次级质子才能既穿过剩余的闪烁体又穿过两层木吸收层,所以它探测的中子能量大于240MeV。4层正比管及两层木吸收层的排列位形如图2。图3为中子望远镜探测太阳耀斑中子的工作原理图。来自太阳的中子首先穿过最上层用于反符合的正比管,正比管对中性粒子没有脉冲输出。安装在探测器四周的反符合的正比管,用于反符合掉从大天顶角入射来的μ介子。中子继续进入闪烁探测器,与闪烁体中的氢作用产生反冲质子,反冲质子除了激发闪烁体发光使光电倍增管产生脉冲输出外,还先后穿过两层相隔一定距离的正比管,使这两层正比管中相应位置上的正比管有脉冲输出,这4路输出脉冲经过一个符合电路后向外输出一个脉冲。根据这一脉冲,不但能知道这是一个中子事例,而且还能根据上下两层分别被触发的正比管的位置来判别中子的入射方向。图4显示沿东西方向(X轴)放置的上下两排正比管,根据上下分别被触发正比管的位置,能定出5个平面。每个上层正比管输出脉冲,与正对的下层正比管及其两侧各两个正比管输出的共5个脉冲,经过图5的符合电路,就可得到对应5个平面的输出。同样,沿南北(Y轴)放置的上下两排正比管,也能定出另外5个平面。这些平面的交线可定出共5×5共25个方向。表2列出了这25个方向对应的天顶角θ和方位角φ。