LHAASO计划电子探测器预研进展

Report
LHAASO计划电子探测器预研进展
盛祥东
高能物理分会第八届全国会员代表大会暨学术年会
2010年4月17日—19日 南昌
1
报告内容
1.
2.
3.
4.
5.
电子探测器的设计特点
光电倍增管的性能测试
电子探测器的性能测试
电子探测器小阵列在IHEP的试运行
小阵列在ARGO实验大厅的搭建及运行
总结与展望
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地面粒子阵列(KM2A)及其中的电子探测器
KM2A参与的主要科学目标:
(1) 30TeV以上γ天文。对河内γ
源的灵敏度在50TeV处达到1% Crab,
寻找宇宙线源存在的直接证据等;
(2) 实现超高能区宇宙线能谱和成
分的测量。(同WCDA、SCDA、WFCA等
复合观测)
图
LHAASO阵列示意图
KM2A阵列的规模:
整个KM2A阵列由5137个电子探测
器(单个ED面积为1m2,间距为15米)
和1209个μ探测器(单个MD面积为
36m2,间距为30米)组成,探测器单
元呈三角形均匀排列。
电子探测器的设计指标
每个电子探测器将测试能量超过5MeV的簇射带电粒子的密度和到达时间。其
中,测试粒子数的动态范围:1—4000个粒子。另外,对光电倍增管输出信号和
后续的读出电子学而言,要求其粒子数分辨率达到:25%@单粒子,<5%@4000个粒
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子以及时间分辨率小于2ns。
1. 电子探测器的设计特点
“cassette”
图
探测器单元“Tile”结构
图
电子探测器外观
电子探测器的设计结构:
* 4×4个闪烁体单元(称为“Tile”)组成一个电子探测器灵敏区;
* 每块Tile的尺寸为25cm25cm2cm;
* “Tile” 表面埋设8根长度为30cm的波长位移光纤(BCF92);
* 波长位移光纤一端镀铝,另一端与2.5m长的透明光纤(BCF98)通过光学胶相
连;
* “Tile”外部包裹一层Tyvek反射膜,以提高光收集效率;
* 每个电子探测器全部128根光纤汇成一束,将收集的闪烁光传递给一只光电倍
增管的光阴极上。光电倍增管阳极输出信号由后续的电子学进行相应处理;
* 当前电子探测器的外壳为铝制结构。新的铁壳(作为EAS次级光子转换体)结
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构将出现在未来电子探测器的优化设计之中。
2. 光电倍增管的性能测试
60只XP2012B光电倍增管(端窗、直线聚焦、锥形分压设计)的测试:
a. 高压响应 (β值)
光电倍增管的增益(Gain)是工作高压的函数。
实验测试给出的β值平均约为7.63-7.86。
b. 线性度
阳极脉冲电流的线性变化由几十微安到近80毫安,跨越3个量级。
XP2012B 光电倍增管
c. 单光电子峰的测量
测试多只光电倍增管的单电子幅度谱,计算出的绝对增益约为107。
d. 地磁效应的影响等
北京地区的地磁强度为0.55高斯,磁倾角约为58度。测试地磁场中光电倍增管的不
同放置方式下信号输出幅度的变化特点,结果显示其最大影响接近10%。
图 XP2012B型光电倍增管单光电
子峰的测量
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图 地磁效应的影响
3. 电子探测器的性能测试
实验上对40个电子探测器进行一系列的
测试(包含对各Tile单元进行扫描),给
出相应的单μ幅度谱和相应的时间分辨。
(1) 实验室搭建测试电子探测器的
Telescope。
用于触发的两个闪烁体小探头,分别置
于Telescope上下位置,用于符合选择近垂
直入射muon,压低噪声引起的偶然符合事
例率。
(2) FEE板电子学标定
• 各路channel台阶长期运行的稳定性监测;
• 每路channel的放大倍数(包含High
Gain和Low Gain)的标定;
• 每路Channel输入电荷量与输出幅度值之
间的线性关系的标定等
Telescope实验装置图
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图 电子探测器的单muon幅度测试谱
(光阴极产生的光电子约为10个)
电子探测器的时间分辨测量
实验结果:
• 单muon测试时,电子探测器的光阴极可以得到超过10个光电子;
• 同一“Tile”上不同位置上的平均信号幅度基本一致;
• 不同电子探测器上各“Tile”之间的响应差别稍大,问题尚需进一步研究解决;
• 当前的测试结果时间分辨好于1.8ns,如果考虑对过阈甄别测量不同幅度信号
导致的time-walk效应的影响进行修正,得到的探测器的时间分辨将会更好。
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(2) 电子探测器测试海平面muon计数率
利用电子探测器测量海平面宇宙线μ,得到:
* 海平面μ流强
* μ计数率随天顶角的变化特点
* μ计数率随等效水深的变化特点
实验测试得到的结果与当前实验结果或预期值较
为一致,表明电子探测器具备正常、可靠的探测性能,
为更深入的应用和测试提供保障。
The measured muon
Flux at sea level is
about 150Hz/m2
图 塑闪探测器+WCD
telescope实验示意图
图
塑闪探测器单粒子(muon)幅度谱
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4
Measured
Calculated
Frequency (Hz)
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
10
20
30
Zenith (Degree)
40
50
海平面上μ计数率随天顶角的变化特点
Frequency (Hz)
3.4
3.2
等效水深与muon积分流强的关系
3
2.8
(上图中,红点是美国Caprice实验数
据,蓝点为本实验测试结果)
2.6
2.4
2.2
0
100
200
300
400
500
600
Equivalent Water Depth (cm)
海平面μ计数率随等效水深的变化特点
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4. 电子探测器小阵列在IHEP的试运行
(1) 小阵列的搭建
由40个电子探测器组成的小阵列已经在北京IHEP搭建完成并投入运行。它的规模
占LHAASO计划中电子探测器总数的1%弱,这将有利于我们从小规模实验开始,积累建
设较大规模探测器阵列的经验。进而优化探测器设计与阵列布局,解决涉及的关键技
术问题,使KM2A整体阵列布局成为可行的成熟的技术方案。
电子探测器小阵列的布设(局部)图
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名称
主要配备
数量
备注
电子探测器
“Cassette”
40个
UPS-89闪烁晶体
BCF92和BCF98型光纤
PMT (XP2012B)
40只
负高压 -1600V
高压模块电源
40块
温度系数0.01%、纹波系数
0.05%
输出电压:0~-2000V
低压模块电源
40块
输出: 24V
信号电缆
40根
每根长度45米,信号衰减约
为12%
低压电缆
40根
每根45米,传送~220V,
UV-RVV 3*1.0mm2
数据采集系统
避光避雨帆布
40张
VME机箱
1个
9U
FEE读出插件
3块
每块16路测量通道
触发插件
1块
接受3个读出插件的PMT“着
火”数,发出触发信号
CPU板
1块
控制插件、传输数据和命令
计算机
1台
采集、存储以及处理数据
GPS模块
1块
记录触发的绝对时刻,用于
离线事例比对
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(2) 小阵列的调试与数据处理
电子探测器小阵列在IHEP正式搭建完成,初步采数正在运行,预计稳定运行时间能
够持续一个月。
* 标定3块FEE读出插件电子学
电子学标定:如记录台阶变化、标定FEE板各channel的High、Low Gain以及电荷读
出线性的标定、单道计数率等)。
* DAQ调试
小阵列取数模式的调节、电子学配置(各通道的阈值配置,触发条件等信息)以及数
据和run信息存储和增加GPS模块,给每一个事例加上时间信息等
* 整个小阵列探测系统的在线标定
以宇宙射线muon为入射粒子,利用两个电子探测器搭成的标定Telescope对小阵列
中40个探测器信号输出时间、脉冲幅度等信息逐个进行标定,计算各探测器间的记录
TDC时间的绝对差异和相应的幅度值。
* 实验数据采集与处理
当前的实验数据采集: 将30个探测器并入DAQ,trigger选择 Nhit≥5。
数据处理面向:检验小阵列各探测器的运行状态及稳定性以及海平面小阵列记录到
的簇射事例率、产生的Nhit分布及事例方向重建等分析。
* 发展相关的小探测器模拟工作,与实验结果进行比对
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图 当前实验测试的结果
图
簇射事例的平面拟合
实验结果表明:当前小阵列的运行基本正常,但各方面的调试与完善工
作仍在紧张进行,以便为不久后在羊八井的运行做好充足的准备。
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5. 小阵列在ARGO实验大厅的搭建及运行
按照计划,小阵列最终将于6月份在西藏羊八井ARGO大厅中心阵列区安装运行。
实现小阵列数据与ARGO数据的结合,筛选比对事例,给出EAS事例计数率、事例
方向重建、计算穿过探测器带电粒子数等信息,从而验证小阵列的运行特点。
另外,小阵列还可以与ARGO大厅旁待建的Muon塑闪探测器、WCD水池实验相结
合,实现1%规模LHAASO阵列的联合运行。
Dirt (2.8m)
muon塑料闪烁体探测器
1%LHAASO阵列的布局
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总结与展望
1) 电子探测器的性能研究已得到多方面测试和理解;
2) 小阵列已在IHEP搭成并稳定运行。它的工作状态稳定可靠,但各方面的完善
工作仍在进行之中;
3) 小阵列实验将与ARGO实验相结合,可以实现相互验证和标定的目的;另外,
1%规模的LHAASO实验将在羊八井深入展开,为LHAASO阵列的深入发展提供经验;
4) KM2A探测器的优化设计和阵列布局的优化正在进行,已逐步发展相应的蒙特
卡洛模拟程序。
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谢谢大家!
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