石家莊二中實(shí)驗(yàn)學(xué)校 王滸川

宇宙線觀測(cè)站中高低壓電源性能研究

石家莊二中實(shí)驗(yàn)學(xué)校 王滸川

大型高海拔空氣簇射觀測(cè)站LHAASO（Large High Altitude Air Shower Observatory）預(yù)計(jì)明年動(dòng)工。由于稻城具有高海拔這一得天獨(dú)厚的宇宙線觀測(cè)條件，LHAASO的所有探測(cè)器，都將在四川稻城安裝并運(yùn)行。然而，稻城的氣壓低，晝夜溫差大，對(duì)電源是一種嚴(yán)格的考驗(yàn)。為了保證各種探測(cè)器及電子學(xué)的正常運(yùn)行，對(duì)供電電源提出了更高的要求。本文利用環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)箱模擬電源的工作環(huán)境，對(duì)模塊電源和程控電源分別進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)電源的性能進(jìn)行分析，為L(zhǎng)HAASO探測(cè)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(shù)；紋波系數(shù)

1 前言

由于宇宙線是來(lái)自外太空的高能射線粒子，是宇宙空間的唯一物質(zhì)載體，所以探索宇宙線起源的最有效手段也理所應(yīng)當(dāng)?shù)芈湓谏醺吣苜が斏渚€天文學(xué)上[1-5]。窄視場(chǎng)切倫科夫望遠(yuǎn)鏡定點(diǎn)觀測(cè)已經(jīng)非常成功地找到很多點(diǎn)源，包括高度可變的活動(dòng)星系核。由于其自身缺陷，即只能夠在晴朗且無(wú)月光的晚上觀測(cè)，切倫科夫望遠(yuǎn)鏡對(duì)時(shí)變?cè)吹挠^測(cè)難度很大[6-9]。為了彌補(bǔ)此不足，巡天掃描伽瑪射線源將是宇宙線研究的一個(gè)重要途徑。為此，宇宙線研究的科學(xué)家們提出了基于地面的大型高海拔空氣簇射探測(cè)器陣列的設(shè)計(jì)思想[1-9]。

大型高海拔空氣簇射觀測(cè)站(LHAASO)的所有探測(cè)器，都將在四川稻城安裝并運(yùn)行。然而，稻城的氣壓低，海拔高，晝夜溫差大，對(duì)電源是一種嚴(yán)格的考驗(yàn)。為了保證各種探測(cè)器及電子學(xué)的正常運(yùn)行，對(duì)供電電源提出了更高的要求。本文利用環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)箱模擬電源的工作環(huán)境，對(duì)模塊電源和程控電源分別進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)電源的性能進(jìn)行分析，為L(zhǎng)HAASO探測(cè)器選擇了合適的工作電源。

2 大型高海拔空氣簇射觀測(cè)站及其對(duì)電源指標(biāo)的要求

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

高海拔LHAASO實(shí)驗(yàn)旨在通過(guò)多種空氣簇射探測(cè)技術(shù)結(jié)合在一起，涵蓋從30 TeV到幾個(gè)EeV的寬能區(qū)探測(cè)。對(duì)宇宙線的起源、加速及傳播機(jī)制進(jìn)行探索，巡天掃描射線源并大量發(fā)現(xiàn)新源，對(duì)射線能譜進(jìn)行精確測(cè)量；對(duì)高能宇宙線粒子的加速機(jī)制、輻射機(jī)制進(jìn)行探索；對(duì)單個(gè)粒子的能譜進(jìn)行測(cè)量，精確測(cè)量“膝”的位置；建立起天基實(shí)驗(yàn)與地基實(shí)驗(yàn)之間的“橋梁”；并在此基礎(chǔ)上拓展出新的物理研究方向，如暗物質(zhì)等[8]。

圖1 LHAASO探測(cè)器布局圖

為完成上述科學(xué)目標(biāo)，需要探測(cè)器的電子學(xué)穩(wěn)定運(yùn)行，光電倍增管的增益變化穩(wěn)定在5%以內(nèi)和輸出信號(hào)的噪聲閾值小于1mV。因此要求低壓電源的溫度系數(shù)小于1%/℃、紋波系數(shù)小于1%；高壓電源的溫度系數(shù)和紋波系數(shù)分別小于0.01%/℃和0.01%。

3 測(cè)試系統(tǒng)

為了測(cè)試電源的性能指標(biāo)，為L(zhǎng)HAASO選取合適的工作電源，我們搭建了測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)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(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，模擬電源的工作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的溫度和壓強(qiáng)均可調(diào)，其溫度變化范圍-40°C～50°C，壓強(qiáng)變化范圍0.5atm～1atm。圖3所示是實(shí)驗(yàn)箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

高精度（6?）臺(tái)式萬(wàn)用表TH1961用于測(cè)量高壓及低壓電源輸出電壓，對(duì)直流電壓進(jìn)行測(cè)量時(shí)，測(cè)量精度可達(dá)到0.0035%。交流毫伏表TC2290B用于測(cè)量高壓及低壓電源輸出電壓紋波系數(shù)。交流毫伏表的頻率響應(yīng)從低頻5Hz，到高頻2MHz，可以測(cè)量30V～100V的電壓，測(cè)量精度+/-3%。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)

圖3 實(shí)驗(yàn)箱的內(nèi)部

圖4 低壓模塊電源的溫度系數(shù)

圖5 高壓模塊電源的溫度系數(shù)

圖6 低壓模塊電源的紋波系數(shù)

4 測(cè)試結(jié)果

利用上一節(jié)的測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)模塊電源和程控電源的性能指標(biāo)分別進(jìn)行了測(cè)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(shù)，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(shù)。

圖7 高壓模塊電源的紋波系數(shù)

圖8 低壓輸出的溫度系數(shù)

圖9 高壓輸出的溫度系數(shù)

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(shù)，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(shù)。

由模塊電源和程控電源的測(cè)試結(jié)果可以看出，兩種電源的溫度系數(shù)和紋波系數(shù)均能滿足探測(cè)器對(duì)電源指標(biāo)的要求?？紤]到程控電源在控制和調(diào)壓方面比模塊電源簡(jiǎn)單，所以項(xiàng)目組決定使用程控電源為探測(cè)器供電。

圖10 低壓輸出的紋波系數(shù)

圖11 高壓輸出的紋波系數(shù)

5 結(jié)論

LHAASO原型陣列已經(jīng)在羊八井ARGO大廳建成并運(yùn)行，羊八井的工作環(huán)境與稻城近似，經(jīng)測(cè)試合格的模塊電源和程控電源都已經(jīng)在原型陣列中使用，原型陣列的探測(cè)結(jié)果與ARGO的探測(cè)結(jié)果相一致，說(shuō)明原型陣列中探測(cè)器能可靠工作，從而證明了電源測(cè)試系統(tǒng)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(huì)海．大型高海拔空氣簇射觀測(cè)站(LHAASO)計(jì)劃[C]．中國(guó)核學(xué)會(huì)2009年學(xué)術(shù)年會(huì),2009．

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

[6]曹臻,劉加麗等．物理學(xué)中的世紀(jì)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(cè)[J]．自然雜志,2012,34(5)．

[8]劉佳．LHAASO-KM2A探測(cè)器與原型陣列設(shè)計(jì)及性能研究[D]．中國(guó)科學(xué)院大學(xué),2013．

[9]何會(huì)海．宇宙線研究進(jìn)展評(píng)述與展望[J]．物理,2013,42(1)．

圖5 字間距出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)打印的時(shí)間圖

經(jīng)過(guò)處理調(diào)試后，打印效果如圖6所示。

圖6 實(shí)際效果圖

5 展望

我們?cè)O(shè)計(jì)的立體車庫(kù)密碼打印模塊完成了對(duì)用戶存車信息的實(shí)時(shí)打印，實(shí)際運(yùn)行表明其具有打印速度快，實(shí)時(shí)方便等特點(diǎn)。打印出的信息清晰，用戶可很容易根據(jù)打印內(nèi)容實(shí)現(xiàn)取車操作。采用RS-485接口的熱敏打印機(jī)，適合較長(zhǎng)距離傳輸，便于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與安裝。

參考文獻(xiàn)

[1]北京榮達(dá)創(chuàng)新科技有限公司RD-E型熱敏微型打印機(jī)使用說(shuō)明書http://www．rd-cn．com/html/download/ index．a(chǎn)sp?cat_0=11&cat_1=71．

[2]趙金龍,趙博．基于RS485總線的熱敏動(dòng)打印機(jī)驅(qū)動(dòng)接口設(shè)計(jì)[J]．工程技,2012 (10),333-334．

[3]魏淑紅,李建波．熱敏微型打印機(jī)在銀行排隊(duì)取號(hào)的應(yīng)用[J]．福建電腦,2011(2)33-35．

作者簡(jiǎn)介：

劉超(1989－)，男，碩士研究生，研究方向：信號(hào)檢測(cè)與信息處理。

劉煒(1963－)，男，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：智能儀器。

趙強(qiáng)(1987－)，男，碩士研究生，研究方向：信號(hào)檢測(cè)與信息處理。

王滸川（1998—），男，石家莊二中實(shí)驗(yàn)學(xué)校。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：11375052）。