宇宙线的全粒子能谱遵循很好的负幂律特征:dj/dE(o)E-γ，但在能量约为4×1015 eV左右发生明显的拐折，幂指数由γ≈2.7变为γ≈3.1，形成“尖锐膝”。“尖锐膝”已被ASγ实验组和其他多家实验所证实。初步分析表明，膝区这个尖锐的鼓包具有太阳系邻近源的能谱特征，亟需进一步的实验证据予以阐明。为进一步阐明“尖锐膝”的成因，我们开发研制了空气簇射轴“芯”探测器(YAC)，2011年开始在羊八井建成124台YAC阵列(YAC-Ⅱ:500平方米)，和已有的ASγ表面阵列（Tibet-Ⅲ:50000平方米）及新建成的地下Muon探测器阵列（MD:4500平方米）组成联合运行的复合式阵列(YAC-Ⅱ+Tibet-Ⅲ+MD)，于2014年3月开始联合取数至今，实验的主要目标是精确测量50 TeV-1016 eV原初宇宙线的质子谱和氦谱。本论文即利用该新联合实验开展“膝”区宇宙线单成分能谱的研究，为“膝”区宇宙线的起源、加速和传播机制提供实验证据。论文的主要工作分为以下两部分:　　(1)利用羊八井空气簇射轴芯探测器一期阵列(YAC-Ⅰ)和广延大气簇射阵列(Tibet-Ⅲ)组成的复合式阵列联合实验(YAC-Ⅰ+Tibet-Ⅲ)完成了对50-1000 TeV能区原初宇宙线质子谱与氦谱的研究。利用神经元网络(Artificial Neural Network，ANN)训练的方法以业界最高成分鉴别精度（对质子的鉴别精度达80％，对（质子+氦核）的鉴别精度达95％），实现了对原初宇宙线质子、氦核的区分;通过改良NKG函数，提高了能量分辨率(1 PeV时，能量分辨率约为12％);并严格控制系统误差，导出了在不同强子作用模型（QGSJETⅡ-04，SIBYLL2.1，EPOS-LHC，QGSJET01c）及原初宇宙线成分模型(Heavy Dominant model, HD; Non-Linear Acceleration model, NLA)下50-1000 TeV能区原初宇宙线的质子谱、氦谱及（质子+氦核）谱，并首次发现了质子谱的“膝”大约在200 TeV左右:小于200 TeV，能谱斜率为-2.69土0.18;大于200 TeV，能谱斜率为-3.07±0.04。所求得的能谱，其谱型基本不依赖于强子作用模型和宇宙线成分模型，而绝对流强对各种强子作用模型和宇宙线成分模型的依赖在25％以内。通过对比ASγ实验的宇宙线全粒子能谱，我们发现“膝”区是以比氦核更重的核为主要成分。　　(2)完成了ASγ新联合实验(YAC-Ⅱ+Tib et-Ⅲ+MD)及宇宙线轻核成分（质子、氦核）研究的计算机蒙卡全模拟。宇宙线大气簇射的模拟通过Corsika(ver.6.204)软件包实现，其中采用了QGSJET01c，SIBYLL2.1两种强子作用模型，以及He-poor，He-rich和Gaisser-fit三种原初宇宙线成分模型，进而评估不同强子作用模型和宇宙线成分模型对观测结果所产生的系统误差。探测器阵列的模拟通过Geant4(ver.9.5)软件包实现。通过模拟我们确定了最优化的事例选择条件，并利用神经元网络(ANN)以及随机森林(Random Forests，RF)训练的方法分别实现原初宇宙线(E≥50 TeV)轻核核种的区分:对质子的鉴别精度达89％;对（质子+氦核）的鉴别精度达97％。另详细全面地评估了YAC阵列实验的性能及系统误差，给出利用ASγ新联合实验(YAC+Tibet-Ⅲ+MD)所求宇宙线单成分能谱的总系统误差小于30％的结果，并确认了利用该新联合实验所观测的能谱将可以与直接观测实验结果（如CREAM，ATIC等气球实验结果）很好地衔接。模拟结果还表明:新联合实验(YAC-Ⅱ+Tibet-Ⅲ+ MD)有足够的灵敏度来研究“膝”区宇宙线的成分，尤其是可以精确测量50 TeV-1016 eV原初宇宙线质子谱、氦谱(1PeV时，能量分辨率约为12％)，并测出它们的膝位置。这些测量结果将可回答膝区鼓包是否由太阳系邻近的SNR源产生，可判断各单成分能谱的拐折是依赖于电荷数(Z)或质量数(A)或是其它，将对膝区宇宙线天体物理起源作出领先的、重要的贡献。