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)
由于宇宙線是來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。
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%。
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)
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)
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。
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圖5 字間距出現(xiàn)問題時(shí)打印的時(shí)間圖
經(jīng)過處理調(diào)試后,打印效果如圖6所示。
圖6 實(shí)際效果圖
我們?cè)O(shè)計(jì)的立體車庫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)
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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。
國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):11375052)。