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大氣熒光實驗
2010-11-30 |文章來源: | 瀏覽次數(shù):  |

 

美國的蠅眼(FLY'S EYE)陣列位于猶他州鹽湖城西的沙漠中(左圖),擁有全世界唯一探測大氣熒光的宇宙射線探測器。1991年10月15日,一個粒子帶著巨大的能量,在黑暗的夜空中畫出一道光芒。山頭上的蠅眼宇宙射線探測器記錄下了這個不尋常的事件。約半年后,蠅眼公布這個事件是 3 x 1020 電子伏特能量的超高能宇宙射線,相當于時速120公里的棒球的動能。雖然早在30年前就曾報告過探測到能量為1020 電子伏特的事例,但這個事例仍令人鼓舞。

蠅眼從1977年起在130米高的小花崗巖山山頂開始建造,四周的沙漠和稍遠的群山一覽無余。共建造了67個反射鏡單元,在每個反射鏡的焦平面上安裝著一個由12只或者14只光電倍增管組成的組件。以67面鏡子反射熒光到焦平面上的880個光電倍增管。每個光電倍增管象蒼蠅的一個單眼,整個探測器便成為一個復眼,因此取名蠅眼。兩個類似的復眼便可以立體成像,更精確的重建宇宙射線的方向。蠅眼的有效視野半徑約25公里,天頂角約可涵蓋至65度。蠅眼每個月的觀測時間只限于晴朗無月的夜晚。每年用于觀測的時間為12%。全部光電倍增管監(jiān)視簇射所獲得的數(shù)據(jù)信息,包括閃光強度、到達時間,都由計算機記錄下來。抵達時間能測到一億分之五秒的精度。

蠅眼從1978年建成一直成功地運轉(zhuǎn)到1993年。在運行到一半時間時,科學家給這個系統(tǒng)增添了第二只眼。稱做蠅眼Ⅱ的設(shè)施建在從小花崗巖山谷底看剛超過3公里的地點,它由36個反射鏡單元構(gòu)成,只覆蓋半個夜空,也在原來蠅眼的覆蓋范圍以內(nèi)。用兩只蠅眼觀看同一個簇射,每只能確定自己的一個簇射檢則器平面,采用快速分析程序,使兩個平面相交出一條直線就能很快地確定簇射軸線的空間位置。對簇射進行立體觀測所確定的簇射軸位置更加精確。從1985年以來,這兩臺探測裝置采用雙眼立體觀測的辦法觀測到許多簇射。

蠅眼于1992年功成身退,拆除后在原址改建升級的探測器陣列稱為HiRes (High Resolution Fly's Eye detector),每個單眼的視角由5.5度縮小為1度,有效視野遠達50公里。蠅眼探測器沒能解決最高能量宇宙射線起源的根本問題。為了增加觀測事件率,新的探測器必須能對更遠的簇射進行探測,探測面積至少需要比1000平方公里的蠅眼陣列大5倍。如果加大光線收集器——反射鏡的面積,就能捕獲到從更遠的簇射發(fā)出的微弱閃光,因此,新反射鏡的直徑定為2米。

HiRes方案仍然堅持蠅眼Ⅰ和蠅眼Ⅱ立體觀測的成功技術(shù),三個站址各建在等邊三角形的頂點位置,邊長為15公里(老探測器布局為相互距離3公里)。每個站址上共設(shè)72臺反射鏡,每臺反射鏡的焦面上群集著256只光電倍增管。

20世紀90年代初,整個HiRes計劃所要求的大約1500萬美元的經(jīng)費一直未能完全如愿。兩個站址中的一個就設(shè)置在達格威(Dugway)試驗基地原蠅眼舊址小花崗巖山。第二個站址設(shè)置在荒漠谷另一側(cè)離第一個站址13公里遠的駝脊山。荒漠谷一帶用于美國陸軍軍火試驗。從1992年起,在兩個站址上,利用原型反射鏡單元已經(jīng)收集到完全超過原來期望的大量的優(yōu)秀簇射數(shù)據(jù)。HiRes的合作成員們正在期待著第一階段工程的最后完成。屆時,探測器的收集面積將超過5000平方公里,每一個高能簇射都能被兩處HiRes站址監(jiān)測到。那時就會得到從未有過的宇宙射線簇射最佳測量數(shù)據(jù)。對能量高過1019eV的宇宙射線,每年達到300的數(shù)據(jù)率,將使研究組處于研究能譜踝形周圍事物本質(zhì)的最優(yōu)越地位。


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