（理论物理专业论文）ybjargo实验rpc探测器电流和羊八井大气电场的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 页 摘要 电流是r p c 这种平板气体带电粒子探测器稳定运行的一个重要指标。 利用羊八井a r g o 实验的高压c h a n n e l 电流和大厅内的气象参数，分析计 算了r p c 探测器的高压c h a n n e l 电流的变化和受气象参量的影响。发现高 压c h a n n e l 电流随季节而变化，并认为电流的这种变化是由气象的季节性 交化引起的。在研究电流和温度、湿度之间的相关性时，发现电流和温度 之间有明显的正相关，而和湿度之间的关联很小。这表示温度是电流变化 的主要影响因素。这为保证y b j - a r g o 实验的稳定运行提供了基础。 大气电场强度尤其是雷暴天气期间的大气电场与宇宙线之间的关联 是一个重要的、有理论和实际意义的交叉学科前沿问题。论文利用大气电 场的数据分析了晴天大气电场的日周期变化，结合y b j a r g 0 单粒子计数 的数据分析了晴天和雷暴天气期间大气电场的变化，以及与宇宙线之间的 关联。发现晴天大气电场存在1 日周期变化，1 日内的变化相位显示大气 电场在中午1 2 点左右出现极大值。另外晴天大气电场和宇宙线次级粒子 之间几乎没有相关性，在做宇宙线气象效应修正时可不考虑。而在雷电期 间，大气电场和低能宇宙线次级粒子之间有很密切的相关性。在闪电发生 前后或闪电期间，大气电场有快速剧烈的变化，并且观测到了期间低能宇 宙线次级粒子数目的几次增多。这些结果对研究宇宙线与云的形成等系列 复杂问题具有一定参考价值。 对观察到的雷电期间大气电场和宇宙线的变化，还没有很好的物理解 释，需要做进一步的研究。 关键词电流；大气电场；宇宙线 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h ec u r r e n to f r p c ( r e s i s t i v ep l a t ec h a m b e r ) d e t e c t o ri n d i c a t e st h e s t a b l eo f t h em u n i n g u s i n gt h ed a t ao f t h eh i i g hv o l t a g ec h a n n e lc u r r e n t ( h v c c ) o f l 强cd e t e c t o ra n dm e t e o r o l o g i c a lp a r a m e t e r o f t h eh a l l ，w e a n a l y z et h ec h a n g eo f h v c ca n dt h ee f f e c to f m e t e o r o l o g i c a lp a r a m e t e ro n t h eh v c c t h ec u r r e n tc h a n g e sw i t ht h es e a s o na n dm a yb ec a u s e db yt h e m e t e o r o l o g i c a lp a r a m e t e r 1 1 1 er e s u l to f t h es t u d yo n t h ec o r r e l a t i o na m o n gt h e c u r r e n ta n dt e m p e r a t u r e ，h u m i d i t ys h o w st h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ec u r r e n t a n dt e m p e r a t u r ei sv e r ys t r o n g ，b u tt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ec u r r e n ta n d h u m i d i t yi sv e r yw e a k s oi tm e a n st h a tt h et e m p e r a t u r ei st h em a i n l yf a c t o r t h a ti n f l u e n c e st h ec u r r e n t t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ea t m o s p h e r i ce l e c t r i cf i e l da n dt h ec o s m i cr a y d u r i n gt h u n d e r s t o r mp e r i o di sv e r yi m p o r t a n ta n dp r a c t i c a l w ec a l c u l a t et h e p e r i o do f t h ea t m o s p h e r i ce l e c t r i cf i e l di nt h ec a l mw e a t h e r , a n da n a l y z et h e c o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ea t m o s p h e r i ce l e c t r i cf i e l da n dt h ec o s m i cr a yb o t hi n t h ec a l mw e a t h e ra n dt h u n d e r s t o r mw e a t h e r , w i 廿1t h eh e l do f t h ed a t ao f y b j a r g os i n g l ep a r t i c l ec o u n tr a t e t h ea t m o s p h e r i ce l e c t r i cf i e l di nt h e c a l mw e a t h e rh a st h ep e r i o do f o n e d a y f r o mt h ep h a s eo f t h ea t m o s p h e r i c e l e c t r i cf i e l di no n ed a yt h em a x i m u mc a nb ef o u n da tt w e l v e0 c l o c k t h e r ei s n oc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ea t m o s p h e r i ce l e c t r i cf i e l da n dt h ec o s m i cr a yw h e n i ti sc a l m s ot h ee l e c t r i cf i e l dc a nb ei g n o r e dw h e nc o r r e c t i o nt h e m e t e o r o l o g i c a le f f e c t t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ea t m o s p h e r i ce l e c t r i cf i e l d a n dc o s m i cr a yd u r i n gt h et h u n d e r s t o r mp e r i o di sv e r ys t r o n g t h er a p i d c h a n g eo f t h ec o s m i cr a yi n t e n s i t yh a p p e n sb e f o r eo r a r e ro r d u r i n gl i g h t i n g ， a n dt h el o we n e r g yc o s m i cr a ya l s oi n c r e a s i n gd u r i n gt h u n d e r s t o r m t h i s r e s u l tc a nh e l po ns t u d y i n gt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ec o s m i cr a ya n dc l o u d ， a n do t h e r p r o b l e m s b u tt h ee x p l a n a t i o no nt h ec h a n g eo f t h ea t m o s p h e r i ce l e c t r i cf i e l da n d 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 ii 页 c o s m i cr a yd u r i n gt h et h u n d e r s t o r mi sn o te n o u g h ，s om o l - er e s e a r c hs h o u l db e d o n e k e yw o r d sc u r r e n t ：a t m o s p h e r i ce l e c t r i cf i e l d ：c o s m i cr a y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流。宇宙线物理是以来自于宇宙空 间的这些高能粒子为研究对象的一门基础学科，主要研究内容包括；宇宙 线粒子的起源、加速和在宇宙空间的传播，是涉及多学科的前沿领域，它 与天文学和高能天体物理、粒子物理、核物理以及空间物理、大气环境有 着密不可分的关系。 在天体物理源中加速出来的宇宙线粒子称为“初级宇宙线”( p r i m a r y c o s m i cr a y s ) ，而初级宇宙线与星际空间物质相互作用产生的粒子称为“次 级宇宙线”( s e c o n d a r yc o s m i c r a y s ) 。初级宇宙线和次级宇宙线合称为原初 宇宙线。观测表明，初级宇宙线的成分主要是核子和原子核。在t e v 能 区附近主要是质子约占7 9 ，氦核约占1 4 ，其他重核约占5 t ”，另外还 有1 的电子和不足1 的光子和少量的中微子1 2 1 。 自从宇宙形成以来，它们一直在轰击我们的地球，已有亿万年的历史 了。自1 9 1 2 年v i c t o rh e s s 发现宇宙线到现在已将近百年的历史，人类在 近百年的对宇宙线的研究当中获得了许多重要发现，但也还有一些基本问 题没有搞清楚 ，】。主要包括以下几个方面。 宇宙线的化学组成宇宙线的化学成分与太阳系相似，但在某些细节 上有重要差别。第一，宇宙线中l i ，b e ，b 等元素丰度比太阳系大几个 数量级。第二，氢和氦元素没有太阳系物质中的丰富。假设宇宙线起源处 的成分与太阳系相同，当宇宙线穿越星际空间时，会与气体和尘埃粒子作 用，较重的核碎裂成较轻的核，由碎裂截面，可以计算得到上述结果。t e v 到p e v 能区宇宙线的组成大约是：5 0 质子、2 5 口粒子、1 3 c n o 和 1 3 f e t4 1 、电子成分 l o ”e v , ，= 2 0 。此处的膝 样拐折，通常称为宇宙线能谱的“膝区”。膝区密切联系于超高能宇宙线 的起源、传播和成分，甚至超高能相互作用中可能存在的新现象。另外能 谱在e l o 归e v 是否出现一个平台，称为“踝”；在e z l 0 ”e v 处存在能谱 截断，称为“趾”。这些问题至今仍无定论。 宇宙线的起源关于宇宙线的起源问题，至今仍无一个肯定的答案。 但可以肯定它们不只是从太阳起源的。对于超高能宇宙线，现在接受的观 点是，产生于活动宇宙天体并被加速，这些活动宇宙天体包括超新星、脉 冲星、银核、射电星系和类星体阱。 由于宇宙线中的带电粒子，在从源区到地球的传播过程中，受到空间 磁场的作用，方向发生偏转，失去了源方向的信息。为了确定源的位置， 须利用对在其上产生的中性粒子的观测，其中y 光子是最好的选择。y 射线不仅能保留源的方向信息，能提供宇宙中具体的核过程信息，而且它 具有较大的物质穿透力，使人们有可能探测更为遥远的宇宙。因此，寻找 y 射线点源能在一定程度上说明宇宙线的起源问题。 寻找y 射线点源时要提高灵敏度可通过改善探测装置的角分辨率， 增加探测面积和延长运行时问来实现。 宇宙线的加速现有的宇宙线加速模型可以分为两类；统计加速和直 接加速。统计加速以费米加速机制为基础，其基本思想是带电粒予在 星际磁场中运动时，遇到星际介质冻结的较强磁场时将被反射。由于磁场 在运动，粒子与场的运动方向相反时，粒子将获得能量，运动方向相同时， 粒子将损失能量，就统计结果而言，前者的几率大，所以粒子将不断获得 能量得到加速。这种加速机制能自然给出幂律能谱，但加速较慢，对很高 能量需要很大加速空间，一般很难保证得到的能量能赶得上在加速区传播 过程中损失的能量。直接加速模型假设存在有强大的电磁场，带电粒子被 电磁场加速 1 u g 。这种加速较快，尤其是应用到带有强烈旋转磁场的脉冲 星系统中。对于直接加速，还不清楚如何给出幂律能谱，而且如果加速发 生在物质高密区，被加速的粒子离开加速区时的能量损失也是一个严重的 问题。 西南交通大学硕士研究生毕业论文第3 页 宇宙线的传播宇宙线粒子离开产生地后是如何到达地球的? 如果宇 宙线粒子起源于银河系，则在它们到达地球前，必须穿过星际介质。如果 起源于银河系外，必须穿过产生星系的星际介质、星系际介质和银河系星 系介质，最后到达地球。星系介质包括中性和电离了的气体云，主要是氢 云。另一个因素是规则和不规则的星系磁场，以及2 7 k 宇宙微波背景辐 射i l ”。所以宇宙线粒子带有它们走过路径的大量信息。 上述几个方面相互关联，相互影响，交织在一起，有许多不确定性。 其中关键是寻找超高能宇宙线源，只有找到宇宙线源，再对这些源进行各 个能区的详细观测研究，才有可能在一些基本问题上取得突破。 宇宙线在宇宙空间的传播过程中，受到与2 7 k 背景辐射、星际物质 的相互作用、太阳活动等的调制，宇宙线荷电粒子还受到星系际磁场、行 星际磁场的影响而偏转。只有宇宙线中的中性长寿命粒子，如中微子和y 射线，在漫长的星际旅途中仍然保持着原来的方向，可以引领人们找到其 产生源所在。这是中微子天文和y 天文得以发展的原因。 中微子与物质的相互作用的截面很小，可以穿透地球，难于测量。中 微子实验一般采用上万吨的水或冰作探测器介质，这样规模的深地下和深 海洋实验成本很高， y 射线在初级宇宙线中所占份额不到1 ，其易与物质作用从而便于 测量。但也带来两个问题：( 1 ) 河外远方来的脯线，能量高至l o ”e v 和 1 0 ”e v 的，将分别遭致宇宙性微波背景光子和星系际红外背景光子的严重 衰减乃至完全吸收，为了测到来自宇宙深处的y 射线，必须降低探测器阈 值，提高灵敏度。( 2 ) 要直接探测原初y 射线，必须利用卫星，飞船等空 间运载工具将探测器带离大气层，以避免大气对，射线的吸收，这就限制 了探测器的重量和尺寸，从而只能在传统的高能( h e ) 区工作；相反， 地面对r 射线的观测间接通过y 射线在大气中的引发的广延大气簇射 ( e a s ) 来实现。由于e a s 在大气中有其发生，发展和衰亡的过程，依 赖于观测站的海拔高度，只能对某个能量以上的y 射线进行观测。一般地 面e a s 阵列工作于超高能区( u h e ) ，地面大气契仑可夫望远镜实验工作 于甚高能( v h e ) 区，从而在空间实验和地面实验直接留下一段空白 1 ”。 西南交通大学硕士研究生毕业论文第4 页 为了对上述空白能区宇宙线进行观测研究，1 9 9 8 年中意科学家开始 在西藏羊八井建设y b j a r g o ( a s t r o p h y s i c a lr a d i a t i o nw i t hg r o u n db a s e d o b s e r v a t o r y ) 实验装置。y b j - a r g o 实验属于地面e a s 阵列实验。阵列位 于西藏羊八井，所处位置地势平坦，海拔高度4 3 0 0 米( 相应大气深度为 6 0 6 9 c m 2 ) ，这一高度恰处于v h e 宇宙线簇射较小衰减处及u h e 宇宙线 簇射纵向发展的平均极大处附近，测量精度相对较高。该阵列有宽广的视 角，能够对赤纬介于1 0 0 7 0 0 的许多北天著名y 射线源( 包括c r a bn e b u l a ) 进行连续而有效的观测。因此适合于开展许多有重要物理意义的宇宙线课 题研究。 y b j - a r g o 实验采用大面积r p c ( r e s i s t i v ep l a t ec h a m b e r ) t ”1 探测器。 r p c 探测器是带电粒子气体探测器，当e a s 中的次级带电粒子进入r p c 探测器的气体室后，将气体电离，产生原始离子对，其中电子和正离子在 高压电场作用下分别向阳极和阴极漂移，正负离子在漂移过程中产生雪 崩，雪崩使得离子对不断的发展，致使两个电极之间形成一个放电通路， 这一过程被称作流光放电模式。这种放电在读出条上感应出脉冲信号， 该信号通过前端电子学甄别后进入地方站记录下信号的到达时间和读出 条所在p a d 的位置【1 7 1 。 r p c 的工作电压为7 8 0 0 v ，高压( h v ) 供电是由高压系统( 每个高 压c h a n n e l 给两个c l u s t e r 提供高压) 的高压分配盒分配到每个r p c 上。 前端电子学所需要的低压由地方站( l o c a ls t a t i o n ) 提供。同时在r p c 的 高压端还有d c s ( d a t ac o n t r o ls y s t e m ) 的接头。d c s 主要是用来监测 r p c 的电流。 r p c 的电流是r p c 稳定运行与否的个重要指标。分析确定探测器 电流的影响因素，有助于针对性地对探测器的性能进行改善，确保探测器 正常稳定的运行，从而使实验数据更加稳定准确。监测发现，2 0 0 5 年4 月至8 月底，在已运行的6 4 8 块r p c 中有6 5 块r p c 出现了高电流( 大 于1 0 u a ) 而停止工作【1 8 】，这大大降低了实验的运行效率。为找出r p c 高 电流的原因，我们首先利用a r g o 实验中2 0 0 5 年1 月至2 0 0 6 年4 月的 d c s 电流数据，分析r p c 运行电流长时间的变化。再结合2 0 0 6 年3 月 西南交通大学硕士研究生毕业论文第5 页 份以后的气象参量数据，分析r p c 运行电流随温度和湿度的变化，计算 r p c 电流和气象参量之间的相关性。这是论文第二章的主要内容。 宇宙线在不停地轰击地球的大气层，使地球表层的大气分子电离成正 离子和电子。质量轻的电子在被光子或宇宙线撞出原子或分子后，便向上 运动，与上层大气中的正离子复合。正离子则受大气电场阻滞，其运动大 大滞后于电子，所以当电子上升后，就会在下层大气中留下正离子，使下 层大气带上正电荷。下层大气的正离子又与下下层大气电离所产生的电子 复合，如此反复循环，就在大气中形成一个自上而下的电场”9 1 。 大气电场强度随高度的增加而减小，在1 0k m 高处的电场强度约为地 面值的3 。除此之外，大气电场还随时间变化。除了由于空间电荷密 度和空气电导率的局部变化造成的短时不规则脉动以外，晴天电场具有日 和年两种周期变化。 大气电场的形成与宇宙线有密切关系，宇宙线强度的变化与大气电场 变化之间应该存在某种关联。另外，宇宙线越强，大气电离作用越强，向 上迁移的电子也越多，云体聚集电荷就越多越快，产生雷电的几率也越大 【2 i 】。所以，雷电与宇宙线强度也应该具有相关性。由此看来，研究宇宙线 与大气电场之间的关系，有助于更深了解和理解气象现象。 w i l s o n 在1 9 2 5 年首先提出带电雷电云中的强电场有可能加速电 子，此后许多实验试图寻找他所预言的加速电子8 3 】。但是在这一系列实验 中，都忽略了宇宙线粒子的作用。直到2 0 世纪8 0 年代早期，俄罗斯科学 院核研究所( i n s t i t u t ef o r n u c l e a rr e s e a r c h , r u s s i a na c a d e m yo f s c i e n c e s ) 在b a k s a n 山谷进行的大气簇射阵列的实验证明了雷电期间大气电场与宇 宙线之间有相关性 “- 2 5 1 。此后，又有理论预言x 射线的辐射与闪电有关， 并做了许多航空器实验1 2 6 1 、气球实验【2 1 和地面实验【埘，也都证明了这种关 系。但宇宙线在其中的作用只能通过同步观测雷电期间它们的强度来说 明。b a k s a n 山谷的大气簇射阵列实验观测到了闪电前宇宙线次级粒子中 软成分( e ：1 0 3 0 m e v ) 强度的增强，并且证明了这种增强类型有两种。 一种是持续时间较长( 几分钟) 、且发生频率很高；而另一种是持续时间 很短，也很少出现。 西南交通大学硕士研究生毕业论文第6 页 b a k s a n 山谷的大气簇射阵列实验的测量结果中的大气电场和宇宙线 流强的同时显著性并不很高，另外w i l s o n 预言的被加速电子的能量以及 这种加速与闪电之间的确切关系都没有很好地确定，需要进行进一步细致 研究。 目前，国内主要有中科院大气研究所等几家研究单位在分析大气电场 和各种气候现象的关系，发现大气电场和冰雹、地震以及闪电等气象之间 都有很大的关联1 3 0 ，大气电场、太阳调制和气象参数三者之间也有关联。 太阳活动可能通过对大气电场和臭氧的调制来影响气象参量，并从日际、 年际及世纪尺度统计分析了太阳活动与大气电场参数及其它气象参数之 间的相关性及其可能机制。而对于晴天和雷电期间大气电场与宇宙线之间 的关联，目前国内的研究很少。 本论文在第三章利用2 0 0 6 年3 月到2 0 0 6 年6 月的羊八井实验大厅顶部 的局域大气电场数据和a r g 0 实验测量记录到的宇宙线次级粒子数目，分 析研究晴天大气电场的周期变化，以及雷电期间大气电场的快速剧烈变化 与测量到的宇宙线次级粒子之间的关系。最后对整个论文工作进行了总 结。 西南交通大学硕士研究生毕业论文第7 页 第二章r p c 探测器电流及气象参量影响 2 1a r g o 实验 中意合作羊八井a r g o 实验”1 1 位于西藏拉萨以北9 0 公里羊八井地区 ( 9 0 0 3 1 5 0 ”e ，3 0 0 0 6 3 8 ”n ，海拔高度4 3 0 0 米，大气深度为6 0 6 9 c m 2 ) ， 采用大面积阻性板探测器r p c ( r e s i s t i v ep l a t ec h a m b e r ) 作其基本探测单 元构成一地毯式全覆盖e a s ( e x t e n s i v e a i rs h o w e r ) 阵列，阵列工作能区 为i o o g e v - - s o o t e v ，覆盖天区赤纬6 范围为一1 0 。 5 5 x 1 0 ”q m ) p v c 阻性平板相隔2 m m 组成密闭气体室，为了保证大 面积的气体室厚度均匀，在两块阻性板之间隔一定间隔加有小的p v c 圆 形支撑片。气体室开有进气口和出气口。在阻性板的另一面涂有一层石墨 作为高压电极，利用一绝缘薄膜将高压电极与上部的读出铝条分开。每 块r p c 长2 8 m ，宽1 1 2 m ，分为l o 个p a d ，每个p a d 有1 6 个x 方向读 出条，这1 6 个读出条与一块前端电子学板相接。 图2 - 1r p c 结构示意图 2 r p g 的工作原理r p c 气体室中由氩气( a t ) ( 1 5 ) 、异丁烷 ( i c 4 j r , o ) ( 1 0 ) 和氟利昂( c 2 皿只，f r e o n ) ( 7 5 ) 三种气体按比 西南交通大学硕士研究生毕业论文第9 页 例混合而成。其中氩气为带电粒子的探测介质：异丁烷可减小火花放电时 所产生的紫外线再生光电电离：氟利昂是负电性气体，可压缩放电范围。 高压电极之间的高压在气体室内形成均匀电场。当f _ a s 中的带电粒 子进入气体室后，将气体电离，产生原始离子对，其电子和正离子在电场 的作用下分别向阳极和阴极漂移。由于电子的质量小，它漂移的速度比正 离子快，故电子首先到达阳极附近，在阳极附近的高电场区产生雪崩放大， 形成更多的电子正离子对。对原初离子对和气体雪崩放大形成的离子对的 收集过程，在阳极上部的铝读出条中产生感应脉冲【3 s l 。此外，雪崩放电还 在接近阳极处形成正离子云团，在电场作用下向负极漂移，并增加负电极 处场强。很高的电场强度可以把电子从放电的局部区域的阴极上拉出来。 这些电子再次产生雪崩，更增加了正离子云的密度，最后形成局部导电的 等离子体区，即形成火花放电。 读取条上又可感应出火花放电信号。火花放电信号比雪崩放电信号大 很多，但在时间上要迟一些。一旦放电发生，由于板体为高阻，在上面的 电压降就使放电淬灭。同样由于板体的高电阻，上述的放电只发生在很小 的区域( 小于0 1 c m 2 ) 。也就是说，打到r p c 探测器上的带电粒子，在读 出条上有脉冲信号产生。可以根据脉冲信号的产生时刻，记录带电粒子的 到达时间，根据读出条的位置确定带电粒子的位置。因此利用这种探测器 可以记录队s 中带电粒子的空间和时间分布。 r p c 大都工作在火花放电状态，放电电荷大小与所充气体成份、阻 性扳材料和所加高压有关，常大于1 0 0 p c 。读取条上的感应信号幅度在 0 1 o 5 v 之间，宽度1 0 n s 一3 0 n s ，上升时间约3 ns i 瑚。由于信号幅度大， 可直接去甄别器甄别。与p a d 相接的前端电子学对读出条上的脉冲信号 进行处理，保存带电粒子的到达时间和位置信息，并产生数据采集系统电 子学的触发信号。 3 a r g 0 阵列布局羊八井a r g o 实验探测器放置在约1 1l m 9 9 m 的 大厅内，如图2 2 所示。图中每个方框代表一个c l u s t e r ，由1 2 个r p c 组成。每个r p c 面积为2 7 8 6 1 2 3 6 m 2 ，分为1 0 个基本探测器单元( p a d ) ， 每个p a d 上有8 个读出条( s t r i p ) 。整个阵列是一个地毯式全覆盖阻性板 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 0 页 探测器阵列，分为中心区和监护环，中心区由1 0 x1 3 个探测器群( c l u s t e r ) 组成：监护环由2 4 个c l u s t e r 组成，主要用于芯内和芯外事例的判选。故 整个阵列由1 5 4 个c l u s t e r 共1 8 4 8 0 个p a d 组成 4 0 l 。 图2 - 2 探测器阵列 4 。d a q ( d a t aa c q u iri n gs y s t e m ) 系统羊八井a r g o 数据获取系 统由前端电子学、地方站、中心站和控制室组成。前端电子学以队d 为 基本单位，提供其上8 个读出条的着火情况。每个地方站负责收集一个 c l u s t e r 的数据，其中包括4 个3 2 路的快速t d c ( 记录所辖1 2 0 个p a d 上着火p a d 的时间信息) 和一块通讯板，后者负责将地方站的数据送到 中心站的a m b ( a r g om e m o r yb o a r d ) 。每个a m b 为4 个地方站提 供数据收集、数据完整性检查、局部事例组建和缓存。每个v m e 机箱都 有一个r o c k ( r e a d - o u tc o n t r o l l e r ) 4 2 1 通过高速附加总线( a u x b u s ) 收 集a m b 的数据并进行局部事例组建，每个r o c k 可以伺服1 0 个a m b 。 r o c k l v l ( r o c k m a n a g e r ) 通过c b u s ( c h a i nb u s ) 收集并组建所有r o c k 的数据，并缓存完整事例数据等待c p u 读取。这样，整个数据采集系统 便由一条r o c l 【m r o c k - a m b t d c 的数据采集链的组成。 整个数据采集系统采用事例驱动机制，由触发盒( t r i g g e r b o x ) 产生 触发，并将其送到触发监控器( t r i g g e rs u p e r v i s o r ) ，后者根据当时的运行 状态判断该触发的有效性。并将有效的触发广播到r o c k m ，r o c k 及所 有地方站，如图2 3 。 西南交通大学硕士研究生毕业论文第”页 图2 - 3 d a q 系统 原初宇宙线的能量决定大气簇射事例的大小，在实验中根据探测器的 最小探测单元p a d 上受宇宙线粒子作用而产生的触发信号( 事例) 来定 时和触发( 此两项功能分别由触发系统与d a q 系统完成) ，完整记录到 达探测器的次级粒子到达的时间和位置。每个被探测事例的所有h i t 的时 间、位置以及着火p a d 上着火读出条的重数等信息被收集，数据重建根 据上述h i t 的时间和空间信息重建出原初粒子的入射方向，得到关于大气 簇射事例次级粒子完整的时间一空间图像；依据读出条的重数作为e a s 西南交通大学硕士研究生毕业论文第12 页 次级粒子在观测面上的密度分布去重建原初能量及芯位，给出原初成份的 信息。来自c l u s t e r 的信号由l o c a ls t a t i o n s 处理，提供p a d 的多重数信息， 当发生触发时，l o c a ls t a t i o n s 空间和时间信息被c e n t r a ls t a t i o n 收集并粗 步处理从而记录和保存大气簇射事例物理数据【4 3 】。 a r g o - y b j 有两种主要的工作模式 4 4 1 ： “s h o wm o d e ”模式“s c a l e r m o d e ”和模式。“s h o wm o d e ”是用来在阵列中心区域内监测p a d 上的读 出条着火多重数，给出大气簇射事例完整的空间一时间图像，对原初宇宙 线粒子的到达方向和能量等参量进行重建：“s c a l e rm o d e ”触发是基于测 量每个c l u s t e r 上每个p a d 的单一计数率，又称为单粒子计数率( s i n g l e p a r t i c l et e c h n i q u e ，s p t ) 。目的是监测仪器和探测宇宙线流强的突发增长， 主要用于太阳活动和谢线爆发等方面的研究。 在y b j - a r g o 实验数据中，s p t 计数还做了低多重数复合，即记录 下多重数分别为n 1 ，2 ，3 ，4 时，每个c l u s t e r 在0 5 s 内的计数，约分 别为4 0 k h z , 2 k h z ，3 0 0 h z 和1 2 0 h z 。多重数取不同值对应着测量的宇宙线 能量不同，模拟计算显示，n = 1 , 2 ，3 ，4 ，对应的最可几能( 对质子) 分别为 6 5 ，1 l ，2 5 ，5 2 g e v t 4 珂。其中，模拟计算时，没有考虑地磁截止刚度的影响， 若考虑这种影响，以1 、n 2 的最可几能量应在截止刚度能量以上。2 0 0 4 年6 月开始，有1 6 个c l u s t e r 运行，记录两种运行模式下的数据。目前， 则有1 3 0 个c l u s t e r 投入运行。 2 3r p 0 电流长期变化 1 气象参量监测系统为了监测r p c 的电流，2 0 0 4 年初在a r g o 实 验中安装了d c s ( d e t e c t o rc o n t r o ls y s t e m ) 监测系统。监测系统包括两 部分：l x d c s ( l i n u x d c s ) 和w i n d c s ( w m d o w sd c s ) 。其中，l x d c s 主要监测每一块r p c 的回路电流以及每个c l u s t e r 的温度1 。w i n d c s 主 要监测每一个高压c h a n n e l 的电流( 两个c l u s t e r 组成一个高压c h a n n e l ) 以及它们的电压。高压c h a n n e l 电流i 。是2 4 个r p c 的回路电流i 。和旁 路电流i ，的总和。回路电流i 。和高压c h a n n e l 电流i 。如图2 q 所示，前 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 3 页 者是探测器工作回路里的电流。是从上层石墨电极流入气室，再通过1 0 0 k 欧姆电阻和5 k 欧姆电阻流入地的电流。旁路电流是r p c 从高压接入端不 流过上述电阻而直接漏向地的电流，也称为漏电流1 4 7 。两套系统都是每隔 1 3 秒或1 4 秒记录一次电流数据。 图2 - 4r p c 电流示意图 为了研究大厅内不同位置的温度和湿度对r p c 电流的影响程度。 2 0 0 6 年3 月，分别在c l u s t e r l l 9r p c5 上和附近的地面以及c l u s t e r1 0 5 的进气管口和出气管口放置了温度探测器和湿度探测器来监测大厅内的 环境参量和探测器本身的温度和湿度。 2 r p c 电流的变化为了找出i 灌c 高电流的变化特征，我们必须跟稳 定情况下r p c 的电流作比较，因此首先要找一个参考电流标准。我们对 2 0 0 5 1 2 0 1 - - 2 0 0 6 0 4 1 3 所有c h a n n e l 的电流做了电流值分布分析，得 到结果如图2 5 。可见正常的高压c h a n n e l 电流应该符合正态分布，并且 电流值的范围为：6 0 u a - - 1 2 0 u a 。这个条件作为判选正常高压c h a n n e l 电 流的依据。以下的电流判选都是用的这个依据。 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 4 页 图2 - 5 高压c h a n n e l 电流的分布 通过分析发现，在2 0 0 5 0 i 0 1 到2 0 0 6 4 2 1 期间，c l u s t e r 6 3 6 4 的 2 4 个r p c 的电流一直都很稳定，因此以这一个高压c h a n n e l 的电流为标 准。我们对此高压c h a n n e l 的电流数据做一天的平均，然后观察其变化， 结果如图2 - 6 所示。图中横坐标表示时间，起始零点为2 0 0 5 年1 月1 日。 中间的2 0 0 5 年7 到8 月实验检修，停止运行。 图2 - 6 高压c h a n n e l 电流随时间的分布 由图2 - 6 可知，从2 0 0 5 年1 月到6 月，高压c h a n n e l 电流是逐渐地 增大，由8 0 u a 增到1 2 0 u h ，增长幅度为4 0 ；从8 月到1 2 月，电流又逐 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 5 页 渐地降低，下降幅度大约为3 0 。很明显，r p c 的电流是随季节的变化而 变化的，而气象参量的变化也呈现出一定的季节性，因此找出p p c 电流 与多气象参量之间的关系具有重要的意义。 2 4r p c 电流与气象参量的关系 y 为某一个因变量，它可能受到多个自变量x f 的影响。研究y 同任 一自变量x ；的相关的时候，必须排除其他自变量的影响，也就是需要研 究偏相关。 2 4 1 偏相关分析 多个相关变量间的关系是较为复杂的，任何两个变量间常常存在不同 程度的简单相关关系，但是这种相关关系又包含有其他变量的影响。因此 简单相关分析即直线相关分析没有考虑其他变量对这两个变量的影响，简 单相关分析实际上并不能真实反映两个相关变量间的相关关系。而只有消 除了其他变量的影响之后，研究两个变量间的相关性，才能真实地反映这 两个变量间相关的性质与密切程度。偏相关分析就是固定其他变量不变而 研究某其中两个变量间相关性的统计分析方法。 一、偏相关系数的意义与计算 ( 一) 偏相关系数的意义 在多个相关变量中，其他变量保持固定不变，所研究的两个变量间 的线性相关称为偏相关( p a r t i a lc o r r e l a t i o n ) 。用来表示两个相关变量 偏相关的性质与程度的统计量叫偏相关系数( p a r t i a lc o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t ) 。 根据被固定的变量个数可将偏相关系数分级，偏相关系数的级数等于 被固定的变量的个数。 当研究2 个相关变量五、而的关系时，用直线相关系数，表示五与而 线性相关的性质与程度。此时固定的变量个数为0 ，所以直线相关系数k ， 西南交通大学硕士研究生毕业论文第16 页 又叫做零级偏相关系数。 当研究3 个变量五、x 2 、而的相关时，我们把毛保持固定不变，玉与是 的相关系数称为而与如的偏相关系数，记为：，类似地，还有偏相关系 数，：、rz3。这3个偏相关系数固定的变量个数为，所以都叫做级偏 1 相关系数。 当研究4 个相关变量五、x z 、却x 4 的相关时，须将其中的2 个变量固 定不变，研究另外两个变量间的相关。即此时只有二级偏相关系数才真实 地反映两个相关变量间线性相关的性质与程度。二级偏相关系数共有 c ：= 6 个；，；2 ，“、吒3 2 4 、巧4 工3 、r z ”4 、r u 。i p 1 24 一般，当研究m 个相关变量五、昂、的相关时，只有将其中的 m 一2 个交量保持固定不变，研究另外两个变量的相关才能真实地反映这两 个相关变量间的相关，即此时只有m - 2 级偏相关系数才真实地反映了这两 个相关变量间线性相关的性质与程度。m - 2 级偏相关系数共有 e = m ( m - 2 ) 2 个。x j 与x j 的m 一2 级偏相关系数记为 ( f ，= 1 ，2 ，m ，i ；e j ) 。 偏相关系数的取值范围为 - i ，1 ，即：一1 l 。 ( - - ) 偏相关系数的计算 1 、一级偏相关系数的计算设三个相关变量五、而、x 3 共有n 组实测数 据； 序号 而 恐 毛 1 而i屯l而l l l 2 2 x 2 2 1 3 2 l ： i n 而，屯，而。 一级偏相关系数可由零级偏相关系数即直线相关系数计算，计算公式为： 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 7 页 铲端 ，i 坫5 而r 雹1 3 - 示r ) z r 3 2 香 岛- 2 而r z 丽3 - r 2 f 3 1 ( 2 - 1 ) 2 、二级偏相关系数的计算设四个相关变量孙昂如x 。共有n 组实测 数据： i i 序号西而而 毛 l 1 五1恐1而1而1 1 2而2嘞勘毛2 l i ： ： l in 五，恐，而，置， r 1 2 3 - r 1 4 p 312314,3243 圹面磊i 西蓊 h “2 而r 1 3 雹2 - - 茫4 , 2 r 3 4 历, 2 k ”2 意畿 2 而1 2 i 3 ! - - ”示2 4 , i r 3 4 蔚1 2 而r 2 雹4 , 1 - - r 页2 3 雨, 1 r 4 3 , ! ：2而r34丽,1-r32,1r42d ( 2 - 2 ) 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 8 页 测数据： l 序号 而 而 i - 五i屯1工棚 | 2 毛2工1 2 | ； | n 而，而， 2 级偏相关系数的计算方法如下： 首先计算简单相关系数即直线相关系数： 巧：黑朋= 1 、2 、) ( 2 - 3 ) 巧2 面寿“：户1 、2 、帕 其中：踢= ( 一i m 一弓) ，磷= ( 五一i ) 2 ，踺= ( _ 一弓) 2 ， 并由简单相关系数组成相关系数矩阵r ： r = 1，i 2 bk ： 名l0 2 然后求相关系数矩阵胄的逆矩阵c c = 胄一= c 1 ， 乞。 ： c 赢 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 则相关变量工，与t 的”一2 级偏相关系数勺的计算公式为： 毛= ；f l ( f ，j = l 、2 一、r e ；i t j ) ( 2 6 ) c l i ch ； 西南交通大学硕士研究生毕业论文第19 页 2 4 2 数据分析结果 考虑到温度和湿度可能对电流产生影响，我们分析了电流随温度和湿 度的分布情况。图2 7 是2 0 0 6 0 3 0 7 2 0 0 6 0 5 1 0 期间的高压c h a n n e l 电 流随大厅内不同位置的温度的分布图。图2 8 是高压c h a n n e l 电流随大厅 内不同位置的湿度的分布。从这两个图可以看出，电流和大厅内各处的温 度之间都有很好的正相关，即电流随温度的增大而增大，而与湿度之间的 相关性不明确。 三 王 专 一z ( a ) ( b ) 西南交通大学硕士研究生毕业论文第2 0 页 ( c ) t ，o c ( d ) 图2 - 7 高压c h a n n e l 电流随温度的分布 ( a ) 随r p c 上的温度的分布( b ) 随地面上的温度的分布 ( c ) 随进气管口的温度的分布( d ) 随处气管口的温度的分布 蓖南交通大学硕士研究生毕业论文第2 1 页 ( a ) h u m 西南交通大学硕士研究生毕业论文第2 2 页 ( c ) ( d ) 图2 - 8 高压c h a n n e l 电流随湿度的分布 ( a ) 随r p c 上的湿度的分布( b ) 随地面上的湿度的分布 ( c ) 随进气管口的湿度的分布( d ) 随处气管口的湿度的分布 通过计算它们与r p c 电流之间的偏相关系数，可以得到