[论文解读] First results of the CROME experiment

Smida, R., H. Bluemer+19 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

CROME实验通过C波段（3.4–4.2 GHz）的抛物面天线检测来自广延空气簇射的微波辐射，触发信号来自KASCADE-Grande广延空气簇射阵列。在六个月的数据采集后，79个高能簇射（>5×10¹⁶ eV）穿过至少一个接收器的视场，模拟信号最高达到噪声电平以上4 dB，证明了微波探测在超高能宇宙射线观测中的可行性。

ABSTRACT

It is expected that a radio signal in the microwave range is produced in the atmosphere due to molecular bremsstrahlung initiated by extensive air showers. The CROME (Cosmic-Ray Observation via Microwave Emission) experiment was built to search for this microwave signal. Radiation from the atmosphere is monitored in the extended C band (3.4--4.2 GHz) in coincidence with showers detected by the KASCADE-Grande experiment. The detector setup consists of several parabolic antennas and fast read-out electronics. The sensitivity of the detector has been measured with different methods. First results after half a year of data taking are presented.

研究动机与目标

• 通过分子轫致辐射和契伦科夫辐射探测广延空气簇射的微波辐射。
• 开发一种与现有广延空气簇射阵列兼容的地基微波探测系统，用于超高能宇宙射线观测。
• 实现高时间分辨率和同步性，以捕捉广延空气簇射产生的短时微波脉冲（约20 ns）。
• 使用机载发射源和低温测试装置对探测器进行校准，以实现精确的信号映射和增益测量。
• 实现100%的运行时间观测超高能宇宙射线，克服荧光探测器面临的大气衰减问题。

提出的方法

• 使用抛物面天线（2.3 m、3.4 m和0.9 m）配合低噪声下变频器（LNBs），用于C波段（3.4–4.2 GHz）和Ku波段（10.7–11.7 GHz）接收。
• 采用快速对数功率检测器（AD8318），其上升时间为4 ns，通过PicoScope数字化仪实现0.8 ns采样率，以捕捉瞬态微波信号。
• 通过GPS和共享触发信号与KASCADE-Grande同步，将数据对准簇射核心位置和能量。
• 应用嵌入式和高通滤波器（如MiniCircuits VHF-1200）以抑制飞机雷达和低频波动引起的干扰。
• 使用自定义低温恒温器，配合液氮和微波吸收材料，对馈电增益和辐射图样进行校准。
• 使用机载无线电源对单个接收器的远场辐射图样进行测绘，包括主瓣和旁瓣。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用地基C波段天线以足够的灵敏度和时间分辨率探测到广延空气簇射的微波辐射？
• RQ2 在CROME阵列视场内，高能簇射（>5×10¹⁶ eV）的可探测事件率是多少？
• RQ3 单个C波段接收器的辐射图样和增益响应测量结果有多准确，尤其是偏离中心的接收器？
• RQ4 最强大簇射的预期信号电平是多少，与噪声电平相比如何？
• RQ5 该系统能否在微波波段区分分子轫致辐射与契伦科夫辐射的贡献？

主要发现

• 在六个月的数据采集后，79个能量大于5×10¹⁶ eV的高能簇射穿过了至少一个C波段接收器的视场。
• 探测到的最强大簇射能量为7.9×10¹⁷ eV，天顶角为10.5°，核心距离天线159 m。
• 对最强大事件的模拟信号最高达到噪声电平以上4 dB，脉冲宽度约为20 ns。
• 系统总运行时间为171.8天（占总时间的73%），平均有8.6个C波段接收器处于工作状态。
• 辐射图样测量结果证实主瓣半功率宽度约为1.6°，旁瓣电平低于10 dB。
• 使用机载无线电源的校准装置实现了对每个接收器增益和波束图样的精确测绘，包括偏离中心的元件。