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在西藏羊八井国际宇宙线观测站，以现有的中日合作ASγ和中意合作ARGO实验为基础，提出探索高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化、高能天体演化和新物理前沿的研究为核心科学目标的大型高海拨空气簇射观测站(Large High Altitude Air Shower Observatory, LHAASO)。水Cherenkov探测阵列(WCDA)作为LHAASO的主体探测阵列，利用羊八井的高海拔优势，开展高能γ天文的研究，实现对甚高能(能量大于100GeV)γ射线源的搜寻和观测以及高能γ射线暴(GRB)的探测。
WCDA的单元探测器个数为3600个，探测面积达到90000m2，由四个站点组成。每个站点是面积150m×150m，水深4.50m的水池，包含900个单元探测器。为了验证WCDA单元探测器的可行性，本论文通过模拟和实验的方法，研究WCDA单元探测器的性能，深入认识和理解水Cherenkov探测技术探测宇宙线，优化单元探测器。同时，对WCDA的可行性研究和工程阵列预先研究进展进行详细介绍。
本论文首先简要的介绍宇宙线物理、高能γ射线天文和探测技术以及LHAASO的科学目标、探测阵列和数据获取。WCDA单元探测器实验是国内首次采用水Cherenkov探测技术研究宇宙线实验，自行设计并建造单元探测器。对单元探测器进行系统的研究，包括光电倍增管(PMT)性能研究、PMT的水密封处理、水净化循环系统的研究，并且利用宇宙线μ子作为探测源，对单元探测器的性能进行深入研究；对WCDA单元探测器的模拟研究，以定点入射和海平面μ子谱的模拟模式对单元探测器性能的进行系统研究。通过单元探测器的实验数据与模拟结果进行比较，得到比较一致的结论，验证了WCDA单元探测器的可行性。开展WCDA的可行性研究和工程阵列做前期研究，已经取得一些的阶段性成果和技术经验，进一步凝炼WCDA的物理目标，为正在开展工程阵列的预先研究提供技术支撑和经验保障，对将来LHAASO的实施具有重要的借鉴意义。最后，对WCDA单元探测器实验的研究和WCDA的预先研究取得的成果和经验进行总结并对将来LHAASO的实施做了积极展望。