面向GRBs和时变源观测的高海拔地基广角大气切伦科夫望远镜原理样机研制

Very-high-energy (VHE) gamma ray astronomy opened a “new window” for understanding cosmic electromagnetic radiation. From sub-100GeV to TeV is a crucial energy band in gamma ray astronomy, where is the connection between the space experiment and the ground-based observation. The observations in this energy range are expected to give more messages from GRBs, AGNs, and EBL by investigating these sources, and thus to investigate the galaxy formation and the evolution of the early universe. However，at present both the ground based observations and the space experiments in this field have weaknesses, for example, the limited physical effective areas of satellite experiments, the small field-of-view (FoV) of Image Atmospheric Cherenkov Telescope (IACT), and the large cosmic ray background together with the low angular and energy resolution of Extensive Air Shower (EAS) experiments. For above reasons, this project goes to develop a new generation of IACT to reach high angular and energy resolution and wide FoV by using a novel refractive lens as light collector instead of classical mirrors; moreover, the detectors on the focal surface is to be operated with a new kind of front-end electronics. Based on these, we propose to develop a wide FoV Cherenkov telescope to be operated in coincidence with the scintillation detectors in measuring ultra-high energy cosmic rays at high altitude.

甚高能伽马射线天文学是近几十年来逐渐发展起来的新兴学科，为人类认识宇宙打开了一个新的窗口。然而，地基以及空间甚高能伽马天文实验依然存在薄弱区，例如对伽马射线暴（GRBs）高能辐射和对时变源的观测。空间实验的缺点是观测有效面积太小，地面成像切伦科夫望远镜（IACT）却存在视场小的问题，地面广延大气簇射阵列（EAS）实验一般存在无法排除大量的宇宙线本底，且角分辨和能量分辨都有限的短板,而兼有大视场，高角分辨和能量分辨的广角大气切伦科夫探测技术有望克服这些技术瓶颈。本项目拟发展广角大气切伦科夫望远镜技术，主要研制大口径（≥2.0m）透镜广角大气切伦科夫望远镜样机，研发适合于广角切伦科夫望远镜的数据获取系统，并利用西藏高海拔优势，实现广角切伦科夫望远镜系统和闪烁体阵列对宇宙线事例的符合观测。

大视场和低阈能是未来地基甚高能γ射线望远镜的重要指标，特别是对γ暂现源（γ射线暴)和时变源(活动星系核)甚高能辐射的地面观测尤为关键。本项目提出并发展了一种广角大气切伦科夫望远镜技术，主要工作如下：.(1) 设计建造了基于水透镜的超广角大气切伦科夫望远镜原理样机系统。设计加工了0.9m口径球冠式水透镜，表面粗糙度(Ra)为0.8µm，几何公差为±1mm。利用平行光聚焦法测定了水透镜的焦距、光斑，测量结果与Zemax模拟结果一致。设计加工了基于光电倍增管(PMT)的照相机系统，由48个PMT组成的照相机视场达15^o×13^o。设计了基于NIM标准插件和LHAASO-KM2A分布式电子学的前端电子学和数据获取系统。.(2) 望远镜原理样机成功探测到甚高能宇宙线事例。实验于2015、2016年冬季在西藏羊八井国际观测站进行。实验采用了符合方法测量宇宙线信号，即由原理样机记录宇宙线引发的大气切伦科夫光信号，由中日合作ASγ扩展阵列记录宇宙线次级粒子电磁信号，并在一定时间窗(τ=400ns)内符合。结果表明，符合事例率远高于偶然符合率，说明原理样机记录的信号为宇宙线引发的大气切伦科夫光。利用进入望远镜视场的亮星以及由扩展阵列提供的符合事例信息对照相机像素单元指向进行了离线标定，弥补了实验前期未对望远镜进行指向标定带来的问题。原理样机成功探测到宇宙线事例初步验证了水透镜方案的可行性。.(3) 发展了大气切伦科夫望远镜单镜系统联合闪烁体阵列重建原初宇宙线方向的新方法。结果表明，望远镜原理样机对原初宇宙线方向重建偏差与事例的芯位密切相关。鉴于此，利用闪烁体阵列提供的事例芯位信息对望远镜原理样机重建的原初宇宙线方向进行修正，使方向重建精度得到了明显提高。.(4) 通过符合事例研究了原理样机性能指标。结果表明，望远镜原理样机对~10TeV能量的宇宙线角分辨达~0.9^o，而且原理样机对宇宙线大气切伦科夫光有一定的成像能力。.近期，MAGIC和HESS实验探测到GRB190114C和GRB180720B、GRB190829A甚高能辐射，这些发现进一步说明发展广角大气切伦科夫望远镜技术非常紧要且前景广阔。