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大气荧光实验
2010-11-30 |文章来源: | 浏览次数:  |

 

美国的蝇眼(FLY'S EYE)阵列位于犹他州盐湖城西的沙漠中(左图),拥有全世界唯一探测大气荧光的宇宙射线探测器。1991年10月15日,一个粒子带着巨大的能量,在黑暗的夜空中画出一道光芒。山头上的蝇眼宇宙射线探测器记录下了这个不寻常的事件。约半年后,蝇眼公布这个事件是 3 x 1020 电子伏特能量的超高能宇宙射线,相当于时速120公里的棒球的动能。虽然早在30年前就曾报告过探测到能量为1020 电子伏特的事例,但这个事例仍令人鼓舞。

蝇眼从1977年起在130米高的小花岗岩山山顶开始建造,四周的沙漠和稍远的群山一览无余。共建造了67个反射镜单元,在每个反射镜的焦平面上安装着一个由12只或者14只光电倍增管组成的组件。以67面镜子反射荧光到焦平面上的880个光电倍增管。每个光电倍增管象苍蝇的一个单眼,整个探测器便成为一个复眼,因此取名蝇眼。两个类似的复眼便可以立体成像,更精确的重建宇宙射线的方向。蝇眼的有效视野半径约25公里,天顶角约可涵盖至65度。蝇眼每个月的观测时间只限于晴朗无月的夜晚。每年用于观测的时间为12%。全部光电倍增管监视簇射所获得的数据信息,包括闪光强度、到达时间,都由计算机记录下来。抵达时间能测到一亿分之五秒的精度。

蝇眼从1978年建成一直成功地运转到1993年。在运行到一半时间时,科学家给这个系统增添了第二只眼。称做蝇眼Ⅱ的设施建在从小花岗岩山谷底看刚超过3公里的地点,它由36个反射镜单元构成,只覆盖半个夜空,也在原来蝇眼的覆盖范围以内。用两只蝇眼观看同一个簇射,每只能确定自己的一个簇射检则器平面,采用快速分析程序,使两个平面相交出一条直线就能很快地确定簇射轴线的空间位置。对簇射进行立体观测所确定的簇射轴位置更加精确。从1985年以来,这两台探测装置采用双眼立体观测的办法观测到许多簇射。

蝇眼于1992年功成身退,拆除后在原址改建升级的探测器阵列称为HiRes (High Resolution Fly's Eye detector),每个单眼的视角由5.5度缩小为1度,有效视野远达50公里。蝇眼探测器没能解决最高能量宇宙射线起源的根本问题。为了增加观测事件率,新的探测器必须能对更远的簇射进行探测,探测面积至少需要比1000平方公里的蝇眼阵列大5倍。如果加大光线收集器——反射镜的面积,就能捕获到从更远的簇射发出的微弱闪光,因此,新反射镜的直径定为2米。

HiRes方案仍然坚持蝇眼Ⅰ和蝇眼Ⅱ立体观测的成功技术,三个站址各建在等边三角形的顶点位置,边长为15公里(老探测器布局为相互距离3公里)。每个站址上共设72台反射镜,每台反射镜的焦面上群集着256只光电倍增管。

20世纪90年代初,整个HiRes计划所要求的大约1500万美元的经费一直未能完全如愿。两个站址中的一个就设置在达格威(Dugway)试验基地原蝇眼旧址小花岗岩山。第二个站址设置在荒漠谷另一侧离第一个站址13公里远的驼脊山。荒漠谷一带用于美国陆军军火试验。从1992年起,在两个站址上,利用原型反射镜单元已经收集到完全超过原来期望的大量的优秀簇射数据。HiRes的合作成员们正在期待着第一阶段工程的最后完成。届时,探测器的收集面积将超过5000平方公里,每一个高能簇射都能被两处HiRes站址监测到。那时就会得到从未有过的宇宙射线簇射最佳测量数据。对能量高过1019eV的宇宙射线,每年达到300的数据率,将使研究组处于研究能谱踝形周围事物本质的最优越地位。


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