廣角透鏡技術(shù)在宇宙線探測(cè)領(lǐng)域的探索與應(yīng)用

高 啟，馬帥康，劉立武，趙少章，孫 尚

（1.西藏大學(xué) 理學(xué)院，西藏 拉薩 850000；2.西藏大學(xué) 宇宙線教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西藏 拉薩 850000）

宇宙線是各種天體演化過(guò)程（特別是各種高能天體物理過(guò)程）的產(chǎn)物，是人類(lèi)了解宇宙的極佳探針[1]。在宇宙線觀測(cè)中，許多天體現(xiàn)象的出現(xiàn)具有時(shí)間和空間隨機(jī)性，例如新彗星和超新星的出現(xiàn)、時(shí)變?cè)?、γ射線暴（Gamma Ray Bursts，GRBs）。對(duì)這些天體爆發(fā)現(xiàn)象觀測(cè)，一方面要求探測(cè)器具有較高的靈敏度，另一方面，由于這些天體現(xiàn)象在時(shí)間和空間上的隨機(jī)性，需要觀測(cè)設(shè)備具有較大的視場(chǎng)。

廣角透鏡技術(shù)是一種新型宇宙線測(cè)探技術(shù)，其技術(shù)方案是采用透鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)成像大氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡（Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes，IACT）陣列的反射鏡，對(duì)較大觀測(cè)視場(chǎng)內(nèi)宇宙射線在大氣中產(chǎn)生切倫科夫光實(shí)現(xiàn)成像，可以有效實(shí)現(xiàn)兼顧大視場(chǎng)、高角分辨、高能量分辨等特點(diǎn)，從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，是觀測(cè)時(shí)間空間上具有隨意性的天體宇宙線輻射最理想的手段之一。

目前，透鏡式廣角大氣切倫科夫成像技術(shù)在國(guó)際上剛剛起步，例如GAW（Gamma Air Watch）實(shí)驗(yàn)[2-3]首次提出用直徑約3 m的廣角菲涅爾透鏡測(cè)探高能γ射線（700 GeV～10 TeV）。JEMO-EUSO（The Extreme Universe Space Observatory on board the Japanese Experiment Module of the International Space Station）實(shí)驗(yàn)[4]計(jì)劃用廣角菲涅爾透鏡研究超高能宇宙射線（5×1019～5×1021eV）。其中JEMO-EUSO采用1塊直徑2.65 m菲涅耳透鏡組成光學(xué)系統(tǒng)，TA-EUSO[5-7]為JEMOEUSO實(shí)驗(yàn)地面簡(jiǎn)化版本，采用兩面直徑1.0 m菲涅耳透鏡，視場(chǎng)±6°。國(guó)內(nèi)方面，西藏大學(xué)和中科院高能研究人員也緊跟國(guó)際步伐開(kāi)展了一些廣角透鏡成像技術(shù)的預(yù)先研究工作[8-9]提出了一種水透式廣角大氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡的概念，用于探測(cè)幾十GeV至幾百GeV高能γ輻射。

作者撰寫(xiě)本文的目的，在于對(duì)廣角透鏡技術(shù)及其在宇宙線探測(cè)領(lǐng)域的探索與應(yīng)用實(shí)踐做一個(gè)簡(jiǎn)要的總結(jié)與展望，以期廣大讀者可以對(duì)廣角透鏡技術(shù)發(fā)展及其在宇宙線探測(cè)領(lǐng)域的探索與應(yīng)用有一些了解。論文內(nèi)容包括廣角透鏡技術(shù)原理，廣角透鏡優(yōu)缺點(diǎn)以及采用廣角透鏡技術(shù)進(jìn)行宇宙射線探測(cè)的GAW實(shí)驗(yàn)、JEM-EUSO實(shí)驗(yàn)和西藏大學(xué)水透鏡實(shí)驗(yàn)進(jìn)展等。為了行文方便，論文廣角透鏡技術(shù)在宇宙線探測(cè)領(lǐng)域的探索與應(yīng)用按探測(cè)對(duì)象的不同，分為超高能宇宙線探測(cè)，甚高能及以上γ射線探測(cè)兩部分進(jìn)行介紹。

1 廣角透鏡技術(shù)基本思路與設(shè)想

利用廣角透鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)反射鏡以實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)測(cè)量高能宇宙射線這一設(shè)想最初在1998年由David J.Lamb等人提出[10-11]，在其論文中提出了用廣角菲涅耳透鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)反射鏡的思路，提出了菲涅耳透鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則。其基本思路或者出發(fā)點(diǎn)是考慮到：

（1）大部分宇宙射線源在時(shí)間和空間上具有隨機(jī)性，對(duì)這些源進(jìn)行測(cè)探，需要大視場(chǎng)的測(cè)探設(shè)備。

（2）傳統(tǒng)成像大氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡由反射鏡和位于其反射焦點(diǎn)的成像系統(tǒng)組成。這種構(gòu)型對(duì)近軸成像優(yōu)化，成像畸變隨著離軸角度的增加而迅速增加，因此其視場(chǎng)不能做得很大（一般3°～5°）。如果增加視場(chǎng)，則需要增大成像系統(tǒng)面積，而這勢(shì)必?fù)踝》瓷溏R的測(cè)探，如圖1所示。

（3）采用廣角透鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)反射鏡，焦平面不存在障礙物，不存在遮擋問(wèn)題，可以將望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)做大，實(shí)現(xiàn)對(duì)較大測(cè)探視場(chǎng)內(nèi)宇宙射線在大氣中產(chǎn)生切倫科夫光實(shí)現(xiàn)成像，如圖1所示。還可以通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)減小像差，實(shí)現(xiàn)不同入射角度成像一致性等問(wèn)題。

透鏡的缺點(diǎn)在于：一方面，厚度隨直徑的增加而迅速增大，隨著厚度的增加，切倫科夫光的吸收將變得很?chē)?yán)重，另一方面，透鏡加工工藝相當(dāng)復(fù)雜。而隨著新型塑料材料的發(fā)現(xiàn)以及加工工藝的發(fā)展，2005年左右，菲涅耳透鏡厚度和加工精度已經(jīng)可以做到使其光學(xué)性能滿(mǎn)足高能γ輻射測(cè)探要求。從而為廣角透鏡技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

綜合以上來(lái)看，廣角透鏡測(cè)探技術(shù)一方面繼承了傳統(tǒng)IACT有效面積大、角分辨和能量分辨較好的優(yōu)點(diǎn)；另一方面克服了傳統(tǒng)反射鏡大離軸角度成像畸變嚴(yán)重、視場(chǎng)較小的問(wèn)題，可以有效實(shí)現(xiàn)兼顧大視場(chǎng)、高角分辨、高能量分辨的優(yōu)點(diǎn)，是測(cè)探時(shí)間和空間上具有隨意性的天體宇宙線輻射最理想的手段之一。

2 廣角透鏡技術(shù)發(fā)展高能宇宙射線測(cè)探中的探索應(yīng)用——JEM-EUSO實(shí)驗(yàn)

JEM-EUSO[7]是第一個(gè)用來(lái)測(cè)探極端能量宇宙線起源和性質(zhì)的空間實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，其主要測(cè)探目標(biāo)是測(cè)探極高能宇宙線（Extreme Energy Cosmic Rays，UHECR）（5×1019～5×1021eV），還可探測(cè)極高能中微子、射線和奇異粒子。通過(guò)極高能粒子研究銀河磁場(chǎng)、驗(yàn)證極端能量下的相對(duì)論效應(yīng)和量子引力效應(yīng)等基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。JEM-EUSO空間探測(cè)器工作于地球自由軌道或者空間站，采用俯視模式探測(cè)極高能粒子通過(guò)廣延大氣簇射產(chǎn)生的熒光或者切倫科夫光。探測(cè)器系統(tǒng)由主望遠(yuǎn)鏡、大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和校準(zhǔn)系統(tǒng)三部分組成，主望遠(yuǎn)鏡由光學(xué)系統(tǒng)、焦面探測(cè)器及其電子學(xué)組成，工作在近紫外波長(zhǎng)范圍（330～400 nm），具有單光子計(jì)數(shù)能力，視場(chǎng)。其光學(xué)系統(tǒng)采用透鏡，由兩面直徑2.5 m菲涅耳透鏡和一面精密衍射菲涅耳透鏡組成，焦面探測(cè)器由5 000個(gè)多陽(yáng)極光電倍增管（MAPMT）組成的柵格組成，每個(gè)柵格64個(gè)像素，總計(jì)320 000個(gè)像素。其原理樣機(jī)如圖2所示。

圖2 JEM-EUSO探測(cè)器光學(xué)系統(tǒng)原理樣機(jī)

JEM-EUSO計(jì)劃由EUSO-TA、EUSO-Balloon，EUSO-SPB，EUSO-SPB2，Mini-EUSO，K-EUSO幾個(gè)實(shí)驗(yàn)構(gòu)成，分步驗(yàn)證JEM-EUSO探測(cè)計(jì)劃可行性。EUSOTA為JEM-EUSO最初原理樣機(jī)，光學(xué)系統(tǒng)由兩面直徑1 m、視場(chǎng)為±6°菲涅耳透鏡組成，成像單元2 034像素，采用地面陣列布局，2015年投入運(yùn)行。前期測(cè)探采用與其他探測(cè)器符合測(cè)探模式，已測(cè)探到宇宙線事例。EUSO-SPB（EUSO Super Pressure Balloon）采用一面直徑1m、視場(chǎng)為±6°的菲涅耳透鏡，成像單元2 034像素，由高空氣球運(yùn)載升空，2017年運(yùn)行13天。EUSO-SPB2在EUSO-SPB基礎(chǔ)上加入夜天光探測(cè)裝置，由高空氣球運(yùn)載，計(jì)劃2022年升空。Mini-EUSO實(shí)驗(yàn)為JEM-EUSO縮小版，采用兩面直徑25 cm，視場(chǎng)±19°的菲涅耳透鏡，由國(guó)際空間站搭載，在近地軌道測(cè)探廣延大氣簇射產(chǎn)生切倫科夫光，原計(jì)劃2018年升空，因故推遲。K-EUSO則是JEM-EUSO終極驗(yàn)證樣機(jī)，樣機(jī)系統(tǒng)核心是一臺(tái)有效直徑2.5 m的施密特球面望遠(yuǎn)鏡，有效視場(chǎng)±40°。

3 廣角透鏡技術(shù)在甚高能及以上γ射線探測(cè)中的探索與應(yīng)用

由于宇宙線微分能譜呈冪律譜衰減，且γ射線流強(qiáng)遠(yuǎn)低于宇宙線背景輻射，甚高能（Very High Energy，VHE，0.03～30 TeV）及以上能區(qū)γ射線探測(cè)及其困難?？臻g探測(cè)受限于有效面積，無(wú)法積累足夠多VHEγ事例樣本，其觀測(cè)只能通過(guò)地面進(jìn)行。

間接測(cè)探通過(guò)測(cè)量進(jìn)入地球大氣層的γ射線與大氣相互作用產(chǎn)生的次級(jí)粒子或者次級(jí)粒子產(chǎn)生切倫科夫光來(lái)反推γ射線入射方向和能量等信息，主要包括成像大氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡（IACT）陣列和廣延大氣簇射、EAS陣列（Extensive AirShower）陣列、水切倫科夫陣列。IACT陣列主要通過(guò)將宇宙線EAS次級(jí)粒子在大氣中產(chǎn)生的切倫科夫光經(jīng)過(guò)大口徑鏡面反射聚焦到光電倍增管上進(jìn)行測(cè)量，利用γ簇射和宇宙線強(qiáng)子輻射圖像差異進(jìn)行γ/p鑒別。其典型代表MAGIC、H.E.S.S.、VERITAS等。EAS陣列主要通過(guò)宇宙線EAS次級(jí)粒子到達(dá)時(shí)間和密度分布重建事例的入射方向和能量。傳統(tǒng)EAS陣列利用EAS次級(jí)粒子橫向分布差異進(jìn)行γ/p鑒別，其代表包括ARGO-YBJ，早期ASγ陣列，后期EAS陣列則主要通過(guò)γ簇射和宇宙線背景簇射產(chǎn)生u子差異進(jìn)行γ/p鑒別，通過(guò)布置在地面的大面積電磁探測(cè)器陣列（ED）和置于地下一定深度的u子探測(cè)器陣列，區(qū)分γ射線和宇宙線強(qiáng)子背景，其代表包括升級(jí)后ASγ+MD陣列和LHAASO-KM2A陣列。水切倫科夫陣列也屬于EAS陣列，但其探測(cè)對(duì)象為EAS次級(jí)粒子在水體中產(chǎn)生切倫科夫光，其代表HAWC。

不同地面測(cè)探裝置對(duì)宇宙射線點(diǎn)源靈敏度比較如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，IACT陣列的優(yōu)勢(shì)在于：一是0.05～20 TeV能區(qū)靈敏度最高，其他探測(cè)器幾乎難以與IACT競(jìng)爭(zhēng)；二是低探測(cè)閾能閾能接近20 GeV，部分探測(cè)能區(qū)與衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)重疊，高能探測(cè)區(qū)域則與EAS重疊，在VHEγ射線多波段復(fù)合測(cè)探、對(duì)比驗(yàn)證不同測(cè)探裝置測(cè)量結(jié)果中具有重要意義。

圖3 不同測(cè)探裝置靈敏度比較

但是，目前主流的IACT陣列為了提高光收集效率，普遍采用大口徑反射鏡，其視場(chǎng)不超過(guò)5°。而相當(dāng)大部分天體爆發(fā)事件（如GRBS，耀變體（Blazar），星爆星系等等）在空間和時(shí)間上具有很大的隨機(jī)性?，F(xiàn)有IACT陣列在次觀測(cè)領(lǐng)域存在較大不足，其解決方案之一就是采用廣角透鏡技術(shù)，這也是David J.Lamb等人利用廣角透鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)反射鏡的主要目標(biāo)：克服原有IACT視場(chǎng)較小的缺陷，以更好地進(jìn)行瞬變?cè)吹犬a(chǎn)生VHE以上γ射線觀測(cè)。

3.1 GAW實(shí)驗(yàn)

GAW實(shí)驗(yàn)是下一代大氣成像切倫科夫望遠(yuǎn)鏡（IACT）驗(yàn)證計(jì)劃，該計(jì)劃首次提出采用透鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)的反射鏡，以實(shí)現(xiàn)大的視場(chǎng)和解決反射鏡大離軸角度成像畸變問(wèn)題。GAW主要測(cè)探目標(biāo)是0.7～10 TeV的甚高能γ射線。望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)為三臺(tái)直徑3 m（有效直徑2.13 m）、厚度為3 mm的丙烯酸平面菲涅耳透鏡，丙烯酸材料對(duì)300～600 nm波長(zhǎng)切倫科夫光穿透率大于95%。成像系統(tǒng)由300支多陽(yáng)極光電倍增管（Multi-anode Photomultipliers，MAPMT）組成，單個(gè)光電倍增管像素單元為8×8，總像素單元為19 200單元，覆蓋視場(chǎng)為24°×24°，GAW望遠(yuǎn)鏡單元整體構(gòu)型如圖4所示。

圖4 GAW望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)圖

按照計(jì)劃，第一步，2010年左右，將單臺(tái)GAW望遠(yuǎn)鏡原理樣機(jī)安裝于海拔2 168 m的西班牙卡拉阿爾托天文臺(tái)。為了驗(yàn)證望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的可行性，樣機(jī)成像單元縮減為100支MAPMT，6 400像素，視場(chǎng)6°×6°，這一期主要目標(biāo)是驗(yàn)證光學(xué)系統(tǒng)近軸和離軸成像效果。第二步將視場(chǎng)擴(kuò)展為12°×12°，通過(guò)蟹狀星云測(cè)探驗(yàn)證光學(xué)系統(tǒng)近軸和離軸成像效果。第三步，由三臺(tái)直徑3 m菲涅耳透鏡組成陣列。成像單元擴(kuò)展到19 200像素，覆蓋視場(chǎng)擴(kuò)展到為24°×24°。由于經(jīng)費(fèi)原因，GAW在進(jìn)行完第一步之后項(xiàng)目停止。但是GAW計(jì)劃所提出的使用廣角透鏡替代傳統(tǒng)反射鏡的思路卻在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中陸續(xù)得到驗(yàn)證，為時(shí)變?cè)吹臏y(cè)探提供了一種新的、有效的測(cè)探手段。

3.2 西藏大學(xué)廣角水透鏡實(shí)驗(yàn)

西藏大學(xué)和中科院高能研究人員受GAW和JEMOEUSO啟發(fā)，緊跟國(guó)際步伐也開(kāi)展了一些廣角透鏡成像技術(shù)的預(yù)先研究工作，考慮到菲涅爾透鏡系統(tǒng)雖然具備大視場(chǎng)、良好透過(guò)率的優(yōu)勢(shì)，但也存在加工工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴和離軸大角度成像差等問(wèn)題。提出了一種水透式超廣角大氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡的概念，結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，該方案采用大口徑廣角水透鏡（玻璃球殼+超純水）的設(shè)計(jì)，這種考慮主要基于以下3點(diǎn)：（1）充分利用了超純水對(duì)可見(jiàn)光特別是藍(lán)紫光良好的透過(guò)率；（2）半球透鏡大離軸角度成像一致性好；（3）工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)較低。

圖5 水透鏡結(jié)構(gòu)

西藏大學(xué)廣角水透鏡實(shí)驗(yàn)最終目標(biāo)是在高海拔地區(qū)測(cè)探GRBs幾十GeV以上高能γ輻射測(cè)探，按照計(jì)劃，實(shí)驗(yàn)主要分為3個(gè)階段：（1）研制0.9 m原理樣機(jī)及其成像、數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，在羊八井與閃爍體陣列進(jìn)行符合測(cè)量、以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案可行性；（2）研制更大口徑望遠(yuǎn)鏡樣機(jī)，并與原有小口徑原理樣機(jī)組成陣列，并對(duì)成像、數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，實(shí)現(xiàn)宇宙線獨(dú)立測(cè)探；（3）最終研制N面5 m口徑望遠(yuǎn)鏡陣列，實(shí)現(xiàn)GRBs或時(shí)變?cè)刺綔y(cè)。目前，0.9 m原理樣機(jī)已經(jīng)完成光學(xué)系統(tǒng)和成像系統(tǒng)測(cè)試，成功在羊八井探測(cè)到宇宙線事例；第二步，計(jì)劃更完善功能的2.0 m原理樣機(jī)陣列研制工作正在按計(jì)劃進(jìn)行，光學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)完成加工；第三步，5 m口徑望遠(yuǎn)鏡相關(guān)模擬工作也陸續(xù)展開(kāi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

廣角透鏡技術(shù)采用透鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)的反射鏡，可以有效實(shí)現(xiàn)兼顧大視場(chǎng)、高角分辨和高能量分辨等優(yōu)點(diǎn)，是測(cè)探時(shí)間、空間具有隨意性的天體輻射最理想的手段之一。GAW（Gamma Air Watch）實(shí)驗(yàn)、JEMO-EUSO實(shí)驗(yàn)、西藏大學(xué)廣角水透鏡實(shí)驗(yàn)是廣角透鏡技術(shù)原理樣機(jī)在甚高能以上宇宙線探測(cè)領(lǐng)域的典型探索應(yīng)用，雖然GAW由于經(jīng)費(fèi)原因已經(jīng)停止，但JEMO-EUSO實(shí)驗(yàn)、西藏大學(xué)廣角水透鏡實(shí)驗(yàn)按計(jì)劃推進(jìn)，目前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都已完成原理驗(yàn)證工作，測(cè)量到高能宇宙射線。在不久的將來(lái)，廣角透鏡技術(shù)必將為時(shí)間空間上具有隨意性的天體宇宙線輻射提供一種有效的新型測(cè)探手段。