国家十二五大科学装置项目“高海拔宇宙线观测站(LHAASO)”是我国宇宙线物理学家们经过几代人的辛苦探索，基于多年高海拔宇宙线研究基础而提出的。LHAASO凭借其高海拔优势，通过大幅度扩展探测器的有效面积，采用多种探测手段联合观测实现对高能宇宙线的精确测量;LHAASO将以最高的超高能伽玛射线探测灵敏度和甚高能伽玛射线巡天灵敏度以及宽广的宇宙线能量覆盖范围来实现它的核心科学目标，即探索高能宇宙线起源以及相关宇宙演化的研究。LHAASO由地面簇射粒子阵列(KM2A)、水切伦科夫探测器阵列(WCDA)、宽视场切伦科夫望远镜阵列(WFCTA)和簇射芯探测器阵列(SCDA)组成，总占地面积为一平方公里。　　作为LHAASO的主体阵列，KM2A(Kilometer-square Array)涵盖了超高能宇宙线起源和宇宙线物理两个主要科学目标。通过对γ射线源高端能谱的精确测量，对电子源还是宇宙线源进行区分，进而寻找宇宙线源。对于地面粒子阵列，γ射线源百TeV能谱测量的关键问题是要排除强大的宇宙线强子背景，最有效的手段便是通过测量簇射中的次级缪子成分进行原初粒子识别，因此KM2A阵列需要大面积铺设缪子探测器(MD)来实现对伽玛射线的零背景观测;原初宇宙线强子簇射中产生的缪子数与原初强子的核子数相关，所以缪子探测器提供的缪子数可以被用作原初强子成分的区分，使得KM2A可以精确测量“膝”区分成分能谱，冲击“膝”区成因这一难题;不同高能强相互作用模型给出的缪子信息存在差别，可以通过簇射缪子信息来检验强相互作用模型。　　基于上述物理目标，通过Monte Carlo模拟，对MD单元探测器提出了如下性能指标:探测效率大于95％;单粒子分辨优于25％;时间分辨小于10ns;探测到缪子的纯度大于95％;实现1-10000个粒子动态范围的测量;稳定运行10年信号衰减小于20％。　　本论文主要包含两个方面的内容:第一个部分是在实验室对MD单元探测器的预先研究。我们从单元探测器设计指标出发，确定单元探测器采用水切伦科夫技术探测宇宙线大气簇射中的次级缪子，基本的方案和原理为:在底面积为36平米的圆柱形水泥罐中放置一个密封性能好且有高反射率内层的水袋，水袋中灌入超纯水;缪子穿过水袋时在水体中产生切伦科夫光，这些光子在纯水中传播及被内袋反射，部分光子被安装在袋子上表面中央的PMT接收并产生电信号;水泥罐体上面覆盖一定厚度的土来屏蔽簇射中次级电磁成分的影响（即Punch-through效应）。该阶段首先基于GENAT4程序的单元探测器模拟给出了优化的单元探测器的参数:水深1.2m，内袋反射率大于97.5％，水吸收长度大于30m，屏蔽层厚度2.5m;然后确定了水袋选材及探测器结构设计方案;最后针对水质、透明罩、PMT动态范围和读出电子学做了一些优化设计。　　论文的第二个部分是两台单元探测器样机的实地安装与性能测试。通过在海拨4300米的羊八井宇宙线观测站安装MD样机，我们形成了一套完整、详细、方便的安装操作流程，包括水袋的气密性测试、水袋的冲洗与灌装、PMT及附件的安装和单元探测器的封装等。通过对稳定运行的MD样机的数据进行分析，对单元探测器的一些基本性能进行了深入研究，如探测效率大于95％;时间分辨小于10ns;单粒子分辨小于25％;缪子纯度大于97％，信号10年衰减约17.8％。这些结果表明MD样机性能达到了最初的设计指标。另外通过对样机信号和水温的长时间监测，给出了探测器的长期稳定运行性能，结果表明了水袋密封性能、水质保持及水体保温性能是合格的。上述结果标志着MD单元探测器的原型样机阶段完满结束，整个过程中我们积累了探测器安装、模拟和数据分析经验，可以运用到将来的LHAASO实地建设中。