石家庄二中实验学校 王浒川

宇宙线观测站中高低压电源性能研究

石家庄二中实验学校 王浒川

大型高海拔空气簇射观测站LHAASO（Large High Altitude Air Shower Observatory）预计明年动工。由于稻城具有高海拔这一得天独厚的宇宙线观测条件，LHAASO的所有探测器，都将在四川稻城安装并运行。然而，稻城的气压低，昼夜温差大，对电源是一种严格的考验。为了保证各种探测器及电子学的正常运行，对供电电源提出了更高的要求。本文利用环境模拟实验箱模拟电源的工作环境，对模块电源和程控电源分别进行了测试，并对电源的性能进行分析，为LHAASO探测器选择了合适的工作电源。

宇宙线；模块电源；程控电源；温度系数；纹波系数

1 前言

由于宇宙线是来自外太空的高能射线粒子，是宇宙空间的唯一物质载体，所以探索宇宙线起源的最有效手段也理所应当地落在甚高能伽玛射线天文学上[1-5]。窄视场切伦科夫望远镜定点观测已经非常成功地找到很多点源，包括高度可变的活动星系核。由于其自身缺陷，即只能够在晴朗且无月光的晚上观测，切伦科夫望远镜对时变源的观测难度很大[6-9]。为了弥补此不足，巡天扫描伽玛射线源将是宇宙线研究的一个重要途径。为此，宇宙线研究的科学家们提出了基于地面的大型高海拔空气簇射探测器阵列的设计思想[1-9]。

大型高海拔空气簇射观测站(LHAASO)的所有探测器，都将在四川稻城安装并运行。然而，稻城的气压低，海拔高，昼夜温差大，对电源是一种严格的考验。为了保证各种探测器及电子学的正常运行，对供电电源提出了更高的要求。本文利用环境模拟实验箱模拟电源的工作环境，对模块电源和程控电源分别进行了测试，并对电源的性能进行分析，为LHAASO探测器选择了合适的工作电源。

2 大型高海拔空气簇射观测站及其对电源指标的要求

图1所示是LHAASO探测器的布局图，它是一个综合性宇宙线空气簇射观测阵列，整体占地面积1km2。其中，最小的点是电磁粒子探测器，小方块是埋于地下的子探测器，这两部分组成LHAASO探测器的主体，分别测量电磁成分和子；浅绿色的三组是宽视场大气Cherenkov 望远镜，测量大气契仑科夫光；四组蓝色的是地下的水Cherenkov 探测器，测量水契仑科夫光；红色的是一组簇射芯探测器；深绿色的是两台MAGIC的Cherenkov 望远镜[4，6-9]。

高海拔LHAASO实验旨在通过多种空气簇射探测技术结合在一起，涵盖从30 TeV到几个EeV的宽能区探测。对宇宙线的起源、加速及传播机制进行探索，巡天扫描射线源并大量发现新源，对射线能谱进行精确测量；对高能宇宙线粒子的加速机制、辐射机制进行探索；对单个粒子的能谱进行测量，精确测量“膝”的位置；建立起天基实验与地基实验之间的“桥梁”；并在此基础上拓展出新的物理研究方向，如暗物质等[8]。

图1 LHAASO探测器布局图

为完成上述科学目标，需要探测器的电子学稳定运行，光电倍增管的增益变化稳定在5%以内和输出信号的噪声阈值小于1mV。因此要求低压电源的温度系数小于1%/℃、纹波系数小于1%；高压电源的温度系数和纹波系数分别小于0.01%/℃和0.01%。

3 测试系统

为了测试电源的性能指标，为LHAASO选取合适的工作电源，我们搭建了测试系统，系统整体图如图2所示。将高压模块、低压模块、程控电源、光电倍增管放入模拟实验箱内，模拟电源的工作环境，实验箱内的温度和压强均可调，其温度变化范围-40°C～50°C，压强变化范围0.5atm～1atm。图3所示是实验箱的内部结构。

高精度（6½）台式万用表TH1961用于测量高压及低压电源输出电压，对直流电压进行测量时，测量精度可达到0.0035%。交流毫伏表TC2290B用于测量高压及低压电源输出电压纹波系数。交流毫伏表的频率响应从低频5Hz，到高频2MHz，可以测量30V～100V的电压，测量精度+/-3%。

图2 测试系统

图3 实验箱的内部

图4 低压模块电源的温度系数

图5 高压模块电源的温度系数

图6 低压模块电源的纹波系数

4 测试结果

利用上一节的测试系统，对模块电源和程控电源的性能指标分别进行了测试。

4.1 模块电源

图4和图5所示分别是低压模块电源和高压模块电源在1atm和 0.6atm下的温度系数，图6和图7分别是低压模块电源和高压模块电源在1atm和 0.6atm下的纹波系数。

图7 高压模块电源的纹波系数

图8 低压输出的温度系数

图9 高压输出的温度系数

4.2 程控电源

图8和图9所示分别是程控电源低压输出和高压输出在1atm和0.6atm下的温度系数，图10和图11分别是程控电源低压输出和高压输出在1atm和0.6atm下的纹波系数。

由模块电源和程控电源的测试结果可以看出，两种电源的温度系数和纹波系数均能满足探测器对电源指标的要求。考虑到程控电源在控制和调压方面比模块电源简单，所以项目组决定使用程控电源为探测器供电。

图10 低压输出的纹波系数

图11 高压输出的纹波系数

5 结论

LHAASO原型阵列已经在羊八井ARGO大厅建成并运行，羊八井的工作环境与稻城近似，经测试合格的模块电源和程控电源都已经在原型阵列中使用，原型阵列的探测结果与ARGO的探测结果相一致，说明原型阵列中探测器能可靠工作，从而证明了电源测试系统的有效性。

[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]何会海．大型高海拔空气簇射观测站(LHAASO)计划[C]．中国核学会2009年学术年会,2009．

[5]刘彩霞,盛祥东等．LHAASO观测站中高低压电源模块性能的研究[J]．核电子学与探测技术,2014,34(2)．

[6]曹臻,刘加丽等．物理学中的世纪难题:高能宇宙线的起源之“谜”[J]．自然杂志,2009,31(6)．

[7]曹臻．ARGO-YBJ丰富多彩的宇宙线观测[J]．自然杂志,2012,34(5)．

[8]刘佳．LHAASO-KM2A探测器与原型阵列设计及性能研究[D]．中国科学院大学,2013．

[9]何会海．宇宙线研究进展评述与展望[J]．物理,2013,42(1)．

图5 字间距出现问题时打印的时间图

经过处理调试后，打印效果如图6所示。

图6 实际效果图

5 展望

我们设计的立体车库密码打印模块完成了对用户存车信息的实时打印，实际运行表明其具有打印速度快，实时方便等特点。打印出的信息清晰，用户可很容易根据打印内容实现取车操作。采用RS-485接口的热敏打印机，适合较长距离传输，便于系统结构设计与安装。

参考文献

[1]北京荣达创新科技有限公司RD-E型热敏微型打印机使用说明书http://www．rd-cn．com/html/download/ index．asp?cat_0=11&cat_1=71．

[2]赵金龙,赵博．基于RS485总线的热敏动打印机驱动接口设计[J]．工程技,2012 (10),333-334．

[3]魏淑红,李建波．热敏微型打印机在银行排队取号的应用[J]．福建电脑,2011(2)33-35．

作者简介：

刘超(1989－)，男，硕士研究生，研究方向：信号检测与信息处理。

刘炜(1963－)，男，副教授，硕士研究生导师，研究方向：智能仪器。

赵强(1987－)，男，硕士研究生，研究方向：信号检测与信息处理。

王浒川（1998—），男，石家庄二中实验学校。

国家自然科学基金项目（项目编号：11375052）。