羊八井Muon望远镜中基于FPGA的方向测量电路

　　西藏羊八井观测站,地处经度E 90°53′,纬度N 30°13′,海拔4300米,为北半球海拔高度最高的宇宙线观测站,现有多种宇宙线观测设备正在运行。其中,与东京大学和名古屋大学合作建造的9 m2中子望远镜,能测量来自81个方向、最小能量为240MeV的中子。数据记录为1次/10秒。属于覆盖全球的用中子望远镜观测太阳中子的观测网。在第23次太阳活动峰年期间,提供了大量有价值的观测结果[1]。另外,与日本理化所合作建造的28支NM-64型中子监测器,探测500MeV-20GeV能量范围的宇宙线粒子,同时采集1、2、3、4、5、6、7及8以上多重数据,数据记录为1次/1秒,总计数率达到107/小时[2]。在全球所有正在运行的大约60个中子监测器中,为海拔高度最高、总计数率最高的中子监测器,是世界公认的最重要的中子监测器之一。

　　近30年来对CME的研究,认识到CME是远比太阳耀斑更重要的日冕扰动和行星际扰动的源,是空间环境扰动的主要因素。统计研究发现,几乎所有在地球附近观测到的粒子能量E>10MeV的太阳高能粒子事件都与CME驱动的行星际激波有关。Gosling统计了37个最大的地磁暴与日冕物质抛射(CME)的关系,发现其中36个与CME相关。受CME影响的高能银河宇宙线,先于CME到达地球,利用地面μ子望远镜对高能银河宇宙线强度的各向异性观测,可提前探测到CME,并对CME引起的地磁暴做出预警。2000年,Munakata在用μ子望远镜对地磁暴前宇宙线强度的各向异性分析基础上,提出在全球进行μ子探测器的布点,以通过监测CME探索地磁暴先兆及预警方法。中科院空间中心利用广州的μ子望远镜,对1991年3月的CME监测发现,在24日特大磁暴前19个小时就监测到银河宇宙线的强扰动,远比ACE卫星监测到的扰动时间提前量大[3]。μ子望远镜已经成为世界上许多宇宙线观测站必不可少的基本观测装置,新的分布全球的μ子望远镜正在不断建成。羊八井μ子望远镜将通过观测宇宙线的各向异性对CME进行监测,探索对地磁暴的预警方法,并结合羊八井现有的中子监测器和中子望远镜,开展对空间环境(高能粒子事件、地磁暴等)的监测预警,为空间天气预报服务。

　　1　原理结构

　　羊八井μ子望远镜由上下两层探测器阵列组成,如图1所示。每层由24个尺寸为50cm×50cm×5cm塑料闪烁体探测器呈6×4排列组成,上下两层闪烁探测器相距100cm。通过上下层探测器的符合,可测定77(7×11)个方向。上层24个探测器与下层24个探测器共有24×24=576种符合,如果采用常规的符合电路测定方向,电路非常复杂,实施起来也很困难,而且电路的可靠性也很难保证。新的设计方案将利用FPGA可编程门阵列电路,使系统的逻辑判选电路大为简化,并适合系统的进一步扩充与改进,具有非常大的灵活性。