宇宙射线是起源于外太空的高能辐射,包括带电粒子和中性粒子,其中带电粒子中约90%为质子、9%为氦核以及1%的其它更重核素。自20世纪初Victor Hess发现宇宙射线以来,人们对宇宙射线的研究一直没有停止,物理学的进步丰富了宇宙射线观测的手段,而对宇宙射线的不懈探索也在推动着物理学的不断发展。当前宇宙射线研究中的一个很重要的方向是寻找奇异物质,如暗物质和稀有的反物质成分等。但要从宇宙射线中寻找这种微弱的信号,要求人们对宇宙射线现象背后的物理机制有深刻的认识,包括宇宙射线的起源、加速以及其在传播路径中的扩散、重加速以及碎裂等物理过程。阿尔法磁谱仪(AMS-02)是用于精确测量宇宙射线、寻找反物质及暗物质存在证据的高能物理探测器,于2011年5月16日搭乘奋进号航天飞机进入太空,并安装在国际空间站上。AMS-02探测器测量精度高,几何接收度大,且得益于单一的太空环境,通过五个子探测器的独立测量,AMS-02能够以极高的精度区分宇宙射线中从几个GV到TV刚度区间的核素成分以及测量γ射线能谱等。经过5年多的运行取数,AMS-02合作组已发表了包括正电子比、质子能谱和B/C等七篇重要的物理结果,其中B/C作为关键的次级宇宙射线对初级宇宙射线通量比,在理解宇宙射线传播中所穿过的物质量时发挥着关键性的作用,其对传播模型的有效约束也可以用来推算反质子及正电子能谱中来自次级宇宙射线的部分,进而根据其能谱超出的情况探索可能存在的奇异物质等。本论文主要描述了作者利用AMS-02探测器测量原初宇宙射线中氦同位素3He及4He的工作。宇宙射线中的3He主要是由4He在传播过程中与星际物质发生散裂反应形成的。因此,~3He/~4He通量比与4He传播路径上的物质分布息息相关,精确测量~3He/~4He通量比是压缩宇宙射线传播模型参数空间的重要手段。目前的~3He/~4He测量结果均具有较大的误差,且大多数实验所测量的结果集中在单位核素动能5GeV/n以下,在更高的能区,多数实验仅能给出一个测量点,极大地限制了对传播模型参数的精确计算。~3He/~4He通量比的测量依赖于对氦样本的精确筛选。在AMS-02实验中,粒子电荷的判选主要是通过径迹探测器完成的,对电荷为2的氦核,其电荷测量的分辨率可以达到0.07。结合径迹探测器所测量到的粒子动量以及飞行时间计数器和环形契伦科夫探测器所测量到的速度,AMS-02在0.5-10.0GeV/n能量范围内对氦的质量分辨率在10%到18%之间。为了精确测量~3He/~4He通量比,本论文使用Monte Carlo(MC)模板拟合的方法对AMS-02所测量的1/m2分布进行拟合,在该拟合方法中,MC模板与飞行数据的一致性是保证最终测量结果准确的基本要求。文中使用AMS-02已测量到的氦能谱以及由Parker模型计算所得的太阳调制势对MC样本进行加权修正,并将MC重建中偏移的β分布修正回初始的β谱,从而保证了所使用的MC模板的质量。之后通过进一步的研究,修正了 MC样本中粒子的速度与刚度分布,保证了 MC模板与飞行数据的一致性。模板拟合是基于RooFit进行的,为了降低在MC模板修正过程中可能引入的误差,拟合过程引入了对MC模板进行平移和缩放的两个微调参数,通过求解最小化χ2/d.f.的方法,拟合确定包括~3He/~4He通量比在内的所有自由参数。由于探测器所测量的通量比与原初宇宙射线的真实通量比之间存在微小差异,本文也进一步分析了探测器对4He和3He接收度的差异、4He在探测器中碎裂产生3He以及宇宙射线粒子在探测器内能损所引起的测量偏差,并进行了相应的修正,最终得到原初宇宙射线中真实的~3He/~4He通量比。除此之外,本文从五个可能影响测量结果的方面进行了系统误差的估计,包括:β修正引入的误差、拟合方法导致的误差、模板拟合引入自由参数所导致的误差、能损修正及接收度修正引起的误差等。结合AMS-02已测量到的B/C、p/p和~3He/~4He结果,作者对GALPROP框架下的宇宙射线2D扩散模型进行了研究。分析发现各宇宙射线的扩散系数都不尽相同,表明不同种类核素的源的分布以及所经历的传播过程可能存在着极大的差异,因此,传统上仅依靠B/C的测量结果对宇宙射线传播参数进行约束的方法将不再适用于精确的宇宙射线模型构建。精确测量~3He/~4He通量比在进一步约束宇宙射线传播模型的参数空间时将发挥着不可或缺的作用。