宇宙線觀測站中高低壓電源性能研究

石家莊二中實驗學校 王滸川

宇宙線觀測站中高低壓電源性能研究

石家莊二中實驗學校 王滸川

大型高海拔空氣簇射觀測站LHAASO（Large High Altitude Air Shower Observatory）預計明年動工。由于稻城具有高海拔這一得天獨厚的宇宙線觀測條件，LHAASO的所有探測器，都將在四川稻城安裝并運行。然而，稻城的氣壓低，晝夜溫差大，對電源是一種嚴格的考驗。為了保證各種探測器及電子學的正常運行，對供電電源提出了更高的要求。本文利用環境模擬實驗箱模擬電源的工作環境，對模塊電源和程控電源分別進行了測試，并對電源的性能進行分析，為LHAASO探測器選擇了合適的工作電源。

宇宙線；模塊電源；程控電源；溫度系數；紋波系數

1 前言

由于宇宙線是來自外太空的高能射線粒子，是宇宙空間的唯一物質載體，所以探索宇宙線起源的最有效手段也理所應當地落在甚高能伽瑪射線天文學上[1-5]。窄視場切倫科夫望遠鏡定點觀測已經非常成功地找到很多點源，包括高度可變的活動星系核。由于其自身缺陷，即只能夠在晴朗且無月光的晚上觀測，切倫科夫望遠鏡對時變源的觀測難度很大[6-9]。為了彌補此不足，巡天掃描伽瑪射線源將是宇宙線研究的一個重要途徑。為此，宇宙線研究的科學家們提出了基于地面的大型高海拔空氣簇射探測器陣列的設計思想[1-9]。

大型高海拔空氣簇射觀測站(LHAASO)的所有探測器，都將在四川稻城安裝并運行。然而，稻城的氣壓低，海拔高，晝夜溫差大，對電源是一種嚴格的考驗。為了保證各種探測器及電子學的正常運行，對供電電源提出了更高的要求。本文利用環境模擬實驗箱模擬電源的工作環境，對模塊電源和程控電源分別進行了測試，并對電源的性能進行分析，為LHAASO探測器選擇了合適的工作電源。

2 大型高海拔空氣簇射觀測站及其對電源指標的要求

圖1所示是LHAASO探測器的布局圖，它是一個綜合性宇宙線空氣簇射觀測陣列，整體占地面積1km2。其中，最小的點是電磁粒子探測器，小方塊是埋于地下的子探測器，這兩部分組成LHAASO探測器的主體，分別測量電磁成分和子；淺綠色的三組是寬視場大氣Cherenkov 望遠鏡，測量大氣契侖科夫光；四組藍色的是地下的水Cherenkov 探測器，測量水契侖科夫光；紅色的是一組簇射芯探測器；深綠色的是兩臺MAGIC的Cherenkov 望遠鏡[4，6-9]。

高海拔LHAASO實驗旨在通過多種空氣簇射探測技術結合在一起，涵蓋從30 TeV到幾個EeV的寬能區探測。對宇宙線的起源、加速及傳播機制進行探索，巡天掃描射線源并大量發現新源，對射線能譜進行精確測量；對高能宇宙線粒子的加速機制、輻射機制進行探索；對單個粒子的能譜進行測量，精確測量“膝”的位置；建立起天基實驗與地基實驗之間的“橋梁”；并在此基礎上拓展出新的物理研究方向，如暗物質等[8]。

圖1 LHAASO探測器布局圖

為完成上述科學目標，需要探測器的電子學穩定運行，光電倍增管的增益變化穩定在5%以內和輸出信號的噪聲閾值小于1mV。因此要求低壓電源的溫度系數小于1%/℃、紋波系數小于1%；高壓電源的溫度系數和紋波系數分別小于0.01%/℃和0.01%。

3 測試系統

為了測試電源的性能指標，為LHAASO選取合適的工作電源，我們搭建了測試系統，系統整體圖如圖2所示。將高壓模塊、低壓模塊、程控電源、光電倍增管放入模擬實驗箱內，模擬電源的工作環境，實驗箱內的溫度和壓強均可調，其溫度變化范圍-40°C～50°C，壓強變化范圍0.5atm～1atm。圖3所示是實驗箱的內部結構。

高精度（6?）臺式萬用表TH1961用于測量高壓及低壓電源輸出電壓，對直流電壓進行測量時，測量精度可達到0.0035%。交流毫伏表TC2290B用于測量高壓及低壓電源輸出電壓紋波系數。交流毫伏表的頻率響應從低頻5Hz，到高頻2MHz，可以測量30V～100V的電壓，測量精度+/-3%。

圖2 測試系統

圖3 實驗箱的內部

圖4 低壓模塊電源的溫度系數

圖5 高壓模塊電源的溫度系數

圖6 低壓模塊電源的紋波系數

4 測試結果

利用上一節的測試系統，對模塊電源和程控電源的性能指標分別進行了測試。

4.1 模塊電源

圖4和圖5所示分別是低壓模塊電源和高壓模塊電源在1atm和 0.6atm下的溫度系數，圖6和圖7分別是低壓模塊電源和高壓模塊電源在1atm和 0.6atm下的紋波系數。

圖7 高壓模塊電源的紋波系數

圖8 低壓輸出的溫度系數

圖9 高壓輸出的溫度系數

4.2 程控電源

圖8和圖9所示分別是程控電源低壓輸出和高壓輸出在1atm和0.6atm下的溫度系數，圖10和圖11分別是程控電源低壓輸出和高壓輸出在1atm和0.6atm下的紋波系數。

由模塊電源和程控電源的測試結果可以看出，兩種電源的溫度系數和紋波系數均能滿足探測器對電源指標的要求。考慮到程控電源在控制和調壓方面比模塊電源簡單，所以項目組決定使用程控電源為探測器供電。

圖10 低壓輸出的紋波系數

圖11 高壓輸出的紋波系數

5 結論

LHAASO原型陣列已經在羊八井ARGO大廳建成并運行，羊八井的工作環境與稻城近似，經測試合格的模塊電源和程控電源都已經在原型陣列中使用，原型陣列的探測結果與ARGO的探測結果相一致，說明原型陣列中探測器能可靠工作，從而證明了電源測試系統的有效性。

[1]J．Liu, X．D．Sheng,et al．,Performances and long-term stability of the LHAASO-KM2A prototype array[J]．Chinese Physics C,2014,38(2)．

[2]J．Zhao,J．Liu,et al．,Design and performances of electromagnetic particle detector for LHAASO-KM2A[J]．Chinese Physics C,2014,38(3)．

[3]Z．Cao,A future project at tibet the large high altitude air shower observatory [J]．Chinese Physics C,2010,34(2)．

[4]何會海．大型高海拔空氣簇射觀測站(LHAASO)計劃[C]．中國核學會2009年學術年會,2009．

[5]劉彩霞,盛祥東等．LHAASO觀測站中高低壓電源模塊性能的研究[J]．核電子學與探測技術,2014,34(2)．

[6]曹臻,劉加麗等．物理學中的世紀難題:高能宇宙線的起源之“謎”[J]．自然雜志,2009,31(6)．

[7]曹臻．ARGO-YBJ豐富多彩的宇宙線觀測[J]．自然雜志,2012,34(5)．

[8]劉佳．LHAASO-KM2A探測器與原型陣列設計及性能研究[D]．中國科學院大學,2013．

[9]何會海．宇宙線研究進展評述與展望[J]．物理,2013,42(1)．

圖5 字間距出現問題時打印的時間圖

經過處理調試后，打印效果如圖6所示。

圖6 實際效果圖

5 展望

我們設計的立體車庫密碼打印模塊完成了對用戶存車信息的實時打印，實際運行表明其具有打印速度快，實時方便等特點。打印出的信息清晰，用戶可很容易根據打印內容實現取車操作。采用RS-485接口的熱敏打印機，適合較長距離傳輸，便于系統結構設計與安裝。

參考文獻

[1]北京榮達創新科技有限公司RD-E型熱敏微型打印機使用說明書http://www．rd-cn．com/html/download/ index．asp?cat_0=11&cat_1=71．

[2]趙金龍,趙博．基于RS485總線的熱敏動打印機驅動接口設計[J]．工程技,2012 (10),333-334．

[3]魏淑紅,李建波．熱敏微型打印機在銀行排隊取號的應用[J]．福建電腦,2011(2)33-35．

作者簡介：

劉超(1989－)，男，碩士研究生，研究方向：信號檢測與信息處理。

劉煒(1963－)，男，副教授，碩士研究生導師，研究方向：智能儀器。

趙強(1987－)，男，碩士研究生，研究方向：信號檢測與信息處理。

王滸川（1998—），男，石家莊二中實驗學校。

國家自然科學基金項目（項目編號：11375052）。