高海拔宇宙线观测站水切伦科夫探测器全部建成并投入科学运行
时间 : 2021-01-02     

1月2日,高海拔宇宙线观测站(LHAASO)水切伦科夫探测器阵列(WCDA)三号水池注水达到正常工作水位,这标志着WCDA探测器全部建成,全阵列投入科学运行。这是LHAASO四种类型的探测器阵列中最早完成的一个阵列。WCDA探测器研制与安装团队的主要成员来自高能所、中国科学技术大学、四川大学、山东大学、清华大学和中科院空间中心等单位。  

WCDA是LHAASO探测器阵列的重要组成部分之一,探测器总面积为78000㎡,由两个150m×150m(一号和二号)和一个300m×110m(三号)水池组成,内有3,120个探测器单元,6240个光敏探头。主体基建工程于2017年6月22日正式启动,在历经三个寒暑后,三个水池陆续完成探测器安装工作。其中,WCDA一号水池于2019年4月26日安装完毕,正式启动科学运行;二号水池于2019年11月5日运行取数;三号水池于2020年10月23日开始注水,同时启动测试运行,2021年1月2日注水高度达到4.3米的正常工作水位,正式投入运行。  

WCDA水池采用了特有的“薄壁混凝土现浇边墙+软基土工膜防渗系统+大跨度轻钢屋面结构”设计,国内首创,国际领先。在没有国标可参考的情况下,实现了探测器设计对避光、防冻、防锈蚀和水位保持等所提出的超标准指标要求。WCDA探测器研制与安装团队在气候条件极为恶劣的冬季完成了一号、二号水池的安装任务,在新冠疫情期间(2020年3月份)就率先抵达安装现场,在高原缺氧、高寒和重湿度等严苛工作环境下,于2020年10月底按期完成了全部探测器的安装调试工作,并及时进入注水阶段。三个水池共35万吨净水的注水都是在冬季缺水但水质良好的条件下完成,运行人员克服了夜里零下20多度的极大困难,保证的原水的稳定供给和净水备制逾3000小时。  

根据国际前沿发展动态,LHAASO项目组在WCDA建设过程中开展了方案优化,在二号和三号水池中采用了我国自主研发的、具备国际上最大灵敏面积的新一代20吋光电倍增管,大幅增强了探测器在50--500 GeV能段的伽马射线探测能力。WCDA的有效探测面积和灵敏度分别是目前国际上最大同类型实验的4倍和6倍;得益于采用大面积光电倍增管所实现的低阈能探测能力,WCDA在银河系内外甚高能伽马射线源的探测,包括伽马暴、快速射电暴、耀变体、引力波电磁对应体等具备瞬变特性的高能辐射信号探测,预期将获得一系列非常重要的观测与研究成果。此外,结合一平方公里阵列(KM2A),WCDA实现对高能伽马辐射近4个量级的全覆盖能谱测量,对深度探索天体的超高能辐射机制,最终揭开超高能宇宙线起源的谜底,发挥不可或缺的重要作用。  

LHAASO是我国“十二五”期间立项建设的国家重大科技基础设施,位于四川省稻城县海子山,海拔4410米,由1km2 电磁粒子探测器阵列和有效面积42000㎡ 的缪子探测器阵列(KM2A)、有效面积为78000㎡的水切伦科夫光探测器阵列(WCDA)和18台广角大气切伦科夫望远镜阵列(WFCTA)组成。LHAASO将充分发挥多种探测手段组成的复合式地面粒子探测器阵列的综合优势,在高能宇宙线起源研究、全天区伽马源搜索、宇宙线能量范围覆盖等方面占据世界领先地位。

   
WCDA探测器阵列的三个水池构筑物鸟瞰图

  
  2020年7月,完成安装的WCDA三号探测器PMT阵列

  
图为WCDA三号探测器核心部件,由我国自主研发

  
WCDA三号探测器安装调试工作现场

  
  WCDA全阵列观测到的一个典型宇宙线空气簇射事例