大气切伦科夫望远镜

两台自动跟踪大气切伦科夫望远镜已经在北京天文台兴隆观测站投入运行,它们用于寻找甚高能γ射线点源和研究点源的发射特性以及探测甚高能γ射线强度的空间分布. 本文介绍望远镜的结构和牲能以及在观测条件下的测试结果.     

蟹状星云脉冲星的TeV γ射线周期发射

利用自行研制的两台大气切伦科夫望远镜(ACT2和ACT3),在1995年秋至1996年春的观测季节对蟹状星云脉冲星进行了168小时(ACT2)和126小时(ACT3)的跟踪观测.分析这些数据没有发现有月或天时间尺度稳定的33ms周期的TeVγ射线发射,但发现两段持续几十分钟的暴发样本具有33ms周期.     

高海拔宇宙线观测实验中scaler模式的模拟研究

位于四川省稻城县海子山的高海拔宇宙线观测站(LHAASO)包含3个子阵列,即地面粒子探测器阵列(KM2A)、水切伦科夫探测器阵列(WCDA)和广角大气切伦科夫望远镜阵列(WFCTA).作为LHAASO实验的主阵列,KM2A由5195个地面电磁粒子探测器(ED)和1188个地下缪子探测器(MD)组成.对地面宇宙线观测实验来说,常有两种独立的数据采集模式,即shower 模式和scaler 模式.本文通过Monte Carlo方法,利用CORSIKA软件包和G4KM2A软件包,对KM2A-ED阵列中的scaler模式进行了模拟研究.当64个ED作为一个cluster、符合时间窗口为100 ns时,多重数m≥1,2,3和4的计数率分别约为88 kHz,1400 Hz,220 Hz和110 Hz.对scaler模式探测原初宇宙线的能量和有效面积也进行了模拟计算,发现KM2A-ED中多重数m≥1时探测原初质子的阈能可降低到100 GeV、有效面积高达100 m~2.本模拟结果为LHAASO-KM2A实验中进行scaler模式的数据触发提供了具体方案,为后续的实验数据分析提供了信息.     

水基切伦科夫μ子探测器的研究

利用高速带电粒子在透明介质中产生切伦科夫辐射的特性,以蒸馏水作为辐射介质,搭建了一个小尺寸(π×22.52cm2×45 cm)的切伦科夫探测器,对能量在GeV量级的μ子进行了相应的测量,考虑其他能量损耗、光传输和收集效率、阴极量子效率后,实验结果与理论估计值有比较高的相符度,可以初步断定仪器具备探测GeV量级μ子的能力.     

一种地基太阳望远镜焦点探测方法

太阳强热辐射导致太阳望远镜光机系统热形变,引发较明显的时变焦点位置漂移。离焦像差影响高分辨观测,降低观测图像的空间分辨率,因此需要探测并补偿望远镜的离焦像差。由于大气湍流的影响,一般的基于图像处理的焦点探测方法不能有效地运用于地基太阳望远镜。而天文望远镜常用的基于Shack-Hartman波前探测的方法,在观测太阳边缘和低对比度的太阳米粒结构时无法工作。因此,提出一种基于图像能谱分析的焦点探测方法,该方法以图像能谱比的低频分量平均值作为焦点探测评价函数,能够消除目标信息的影响和平滑大气湍流的影响。实验证明,该方法的探测精度和探测时间分辨率能满足地基太阳望远镜不同观测目标的高分辨观测的需要。     

超新星遗迹与LHAASO

 宇宙线的起源作为科学难题已经长达一个世纪。近年随着GeV、TeV伽马射线天文望远镜的发展，探测到了一批高能和甚高能伽马射线超新星遗迹（Supernovae Remnant，SNR），表明超新星遗迹的电磁辐射，不仅从低频射电波段跨越到X射线波段，而且延伸至伽马射线波段，是宇宙中重要的伽马射线源。频率跨度如此之大的电磁辐射，科学家们用以研究各种天文物理过程，如恒星晚期演化与核合成，激波动力学，相对论性粒子高能辐射，高能粒子加速、传播等等。特别是，超新星遗迹被普遍推测为银河系内主要的宇宙线加速源。为了确证对超新星遗迹或其他高能天体这样的推测，深入探索宇宙线的有关机理，必须建造下一代更灵敏的伽马射线望远镜，在更高的能段投入观测。超新星遗迹也因此成为LHAASO项目的重要探测目标。     

寻找来自原始黑洞蒸发的TeV γ射线暴

用兴隆站的两台大气切伦科夫望远镜ACT2和ACT3在1995—1997年间的观测数据,寻找来自原始黑洞(PBH)蒸发终态的0.1sTeVγ射线暴.分析这些资料没发现有这样的γ射线暴.据此估算出在太阳系附近、在99%的置信水平下原始黑洞的蒸发率-密度的上限为3×10⁸/年·pc3.     

水下Co-60源切伦科夫辐射的蒙卡模拟

随着核应用领域的不断拓宽,放射源丢失事故发生的概率也随之增加。机载伽马谱仪可有效搜寻地面放射源,然而对于放射源丢失于水域的情况,由于伽马射线经由水层屏蔽后可探测性降低,故利用放射源在水中产生的切伦科夫辐射对其进行搜寻显得十分重要。采用MCNP与Geant4相结合的方法,以及在Geant4程序中采用接续计算技巧,对Co-60源在水中的切伦科夫光产生以及传输进行了计算,计算表明,切伦科夫光经水中传播后,主要波段在300~600 nm,强度呈由边缘到中心渐强的特征分布,分布范围大致与放射源在水中的深度一致,在水中传输300 m后其光通量约为100 cm-2,可利用光谱特征和强度分布特征对其进行测量。     

地基光电望远镜对空间碎片探测能力的评估模型

为了提高地基光电望远镜观测空间碎片的运行效率,建立了地基光电望远镜探测能力评估仿真模型.综合考虑碎片几何过境、碎片信号辐射量、背景源信号辐射量、光信号在传感器平面的投影等影响,获得碎片信号的探测信噪比,并作为过境碎片能否被探测到的依据.采用1m望远镜进行地球同步轨道碎片观测实验,并对模型进行验证.结果表明:仿真观测的第谷2星表中4颗背景亮星与观测实验结果一致;由于碎片形状等光学特性不同,碎片辐射量星等值的实验值与仿真值最大相差1.58倍,误差值在合理范围内.基于信噪比探测原理的地基光电望远镜探测能力评估仿真模型合理有效,可为观测设备建设、观测策略制定等提供参考.     

羊八井太阳中子望远镜和中子监测器对2005年1月20日GLE事件的探测

西藏羊八井位于东经90.53°, 北纬30.11°, 海拔4310m, 垂直地磁截止刚度14.1GV. 2005年1月20日羊八井太阳中子望远镜和中子监测器探测到与X7.1/2b太阳耀斑相关的GLE事件, 其中太阳中子望远镜能量>40MeV的能道在5min(07:00—07:05UT)和20min(07:00—07:20UT)的时间间隔内计数率增长的统计显著性分别是3.7σ和6.0σ, 同时羊八井中子监测器也探测到计数率的增长,初始时间为06:51—06:52UT. 观测表明在这次GLE事件中太阳质子可被加速到能量大于10GeV.     

空气簇射切伦科夫光观测

用快、慢光电倍增管分别构成两种探测装置,记录了广延空气簇射(EAS)切伦科夫(C)光的脉冲形状和光强.测量了海平面EAS(能量E₀>5×10¹⁴eV)C光脉冲的半高全宽(FWHM)分布和光子密度谱.两种光强探测结果的比较表明:由GDB100慢光电倍增管和峰值ADC组成的光强测量系统,对于测定EAS C光的光强是一种简单和经济的好方法.     

高能天体物理学的几项重要新成果

 高能天体物理以观测天体的X射线和伽马射线辐射为主要研究手段,由于天体高能物理过程的辐射多集中在X射线和伽马射线能段,同时X射线和伽马射线具有大大高于可见光的穿透能力.     

绝对探测大气温度的纯转动拉曼激光雷达系统

纯转动拉曼激光雷达是探测大气温度廓线的重要手段之一,其正常工作需要配置其他并行校正设备,制约其在气象及环境监测领域中的实用化进程.基于大气氮气分子的纯转动拉曼谱型对温度的依赖性,提出并设计了绝对探测大气温度廓线的纯转动拉曼激光雷达系统.系统采用波长532 nm且脉冲能量300 m J的激光激励源和口径250 mm卡塞格林望远镜的接收器,设计了衍射光栅和光纤Bragg光栅结合的多通道并行纯转动拉曼光谱分光系统;仿真分析氮气和氧气分子的纯转动拉曼散射谱线间关系,优化选择了6条氮气分子的纯转动拉曼谱线以直接反演大气温度,设计了两级滤光器间转接光纤阵列的结构;基于最小二乘原理推导了绝对探测大气温度的反演算法,并结合标准大气模型,分析了纯转动拉曼激光雷达绝对探测大气温度的探测性能.结果表明,所设计纯转动拉曼激光雷达系统可直接反演大气温度廓线,在测量时间17 min内,温度偏差小于0.5 K的探测高度达2.0 km.     

临近空间平台光电探测系统在空间态势感知中的应用

介绍了空间态势感知的概念,以及地基、天基光电探测系统和临近空间平台的特点及研究现状,对不同平台光电探测系统的性能与特点进行了分析。分析表明,地基光电探测系统的观测质量受地球大气湍流和大气吸收的影响,有其极限探测能力,且大部分大气扰动发生在大气最底层的对流层;天基光电探测系统虽然可不受大气湍流的扰动,但光电探测平台的探测时间只有地基望远镜的1/3,且耗资巨大;临近空间平流层平台(飞艇)光电探测系统不受对流层大气扰动的影响,其分辨力可显著提高,并且具有灵活布站等优势。基于临近平台光电探测系统的优势,综述了发展临近平台空间光电探测系统的可行性,归纳总结了将其应用于空间态势感知的技术要求,涉及材料、控制、能源和高能物理等。     

激光导引星倾斜探测的非等晕性

传统的激光导引星(LGS)由于激光发射与接收光路的限制,导致难以利用激光导引星来探测大气倾斜量变化。其中重要的一个解决方案就是利用辅助望远镜,从侧面对激光导引星进行探测,从观测到的激光导引星带状拖影中提取出大气倾斜信息。随着激光带拖影长度的增加,必然导致其出现非等晕现象。给出了激光导引星带状拖影上两球面波之间的Zernike多项式展开系数角度相关函数。从相关性的角度分析了导引星高度、大气湍流强度以及接收望远镜口径对激光导引星带状拖影的非等晕性的影响。此外,基于激光导引星倾斜探测方案的非等晕限制,给出了Na层激光导引星倾斜量探测方案中的辅助望远镜视场限制。     

基于光纤收发一体LP-DOAS系统对大气HONO和NO_2的测量

介绍了一种基于施密特-卡塞格林望远镜的光纤收发一体长光程差分光学吸收光谱(LP-DOAS)系统,并应用于实际大气HONO和NO_2的测量。该测量系统采用光纤收发一体设计,相比于目前广泛使用的卡塞格林式差分光学吸收光谱系统更能充分利用望远镜主镜有效面积,具有较高的光学效率。分析了暗电流,偏置以及望远镜内部反射光对系统的影响,在晴好天气下,望远镜内部反散光所占大气谱光强比例小于1%。且通过与传统卡塞格林式差分光学吸收光谱系统进行了实际大气NO_2的测量对比,相关系数r达到0.968,验证了新系统测量的准确性。利用该测量系统在河北固城开展了对大气HONO和NC_2高灵敏度、高时间分辨率的外场观测,在光程为2 490 m下系统对HONO和NO_2探测限(2σ)分别为84.2和144.6ppt。测量期间的平均时间分辨率约为30 s,HONO和NO_2浓度最大值分别为3.2和37.8 ppb,最小值均低于探测限,并根据观测期间的数据结果计算夜间HONO/NO_2平均值为0.12。     

面向脉冲星导航的聚焦型X射线探测器测试标定方法研究

通过脉冲星辐射信号特征研究和空间观测需求分析,提出了一种面向导航应用的X射线探测器测试方法.首先推导了X射线光子欠探测概率公式,分析了不同星源流量及不同探测器时间分辨率下对光子探测能力的影响.通过数值模拟方法建立了脉冲到达时间与脉冲轮廓相似度的关系.处理了我国硬X射线调制望远镜的Crab脉冲星观测数据,研究了不同能段脉冲轮廓差异.其次,系统地研究了面向导航应用的X射线探测器测试及处理方法,并利用地面测试系统完成了一款自主研发的聚焦型X射线探测器测试工作.通过数据分析得到,聚焦型探测器本底噪声为3.63×10-5ph/(cm~2·s~(-1)),工作能区为0.2～22.7keV,时间分辨率为4.17μs,空间响应约为5′,能量非线性为0.52%,能量分辨率优于200eV@5.7keV,典型探测效率为39.18%@4.51keV.聚焦型X射线探测器在弱脉冲信号及强背景噪声下,均能还原出Crab脉冲星脉冲轮廓,在2 400s内能够探测到辐射流量弱于背景噪声10倍的脉冲信号.结果表明,该款聚焦型探测器性能优秀,能够满足导航脉冲星(如PSR B1509)的空间观测需求,也验证了测试方法的可行性.     

观测来自银道面的TeV γ射线

给出来自银经79.3866°的银道面的TeV γ射线的观测结果.数据是在1995年10月至1998年11月间的晴朗无月夜,用兴隆站的大气契伦科夫望远镜ACT2和ACT3以向源–背景(ON–OFF)观测方式取得的,总观测时间为224.4h.在望远镜计数服从高斯分布的情况下,导出了最大似然比λ的表达式,它直接给出显著性水平的概率.用它分析观测资料,在统计误差范围内没发现有来自银道面的TeV γ射线.     

强流短脉冲电子束束斑实时测量

为了快速获得直线感应加速器电子束束剖面信息以便能加速加速器的调试，研制了一套基于切伦科夫辐射的束斑测量装置，如图1所示。切伦科夫辐射体采用φ80，厚度0．5mm的石英玻璃。石英玻璃背面经过磨砂处理，安装在真空传动装置上，可以随传动杆上下移动和左右转动。切伦科夫光经滤光片和焦距为25mm的佳能TV-16镜头成像在CCD摄像头上。由摄像头拍摄的图像信号经CA-MPE-1000F(H)型黑白图像采集卡读入计算机进行处理。图象采集卡具有外触发接口。通过从注入器控制系统的同步机中输出同步信号，经过单稳态电路，对采集卡进行外触发。     

天文学家目击中子星相撞

<正>近十来年,天文学重大突破之一是成功地协同观测中子星相撞时产生的引力波和电磁波信号。这一发现始于2017年8月17日(故编号为GW170817):随着激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座干涉仪(Virgo)合作组对引力波的发现、定位以及费米伽马射线空间望远镜(Fermi)的快速认证,超过70多台地面和空间探测设备在X射线、可见光、红外、射电等波段捕获了该并