盛祥东高能所LHAASO项目电磁粒子探测器实验研究进展

Report
LHAASO项目电磁粒子探测器实
验研究进展
盛祥东
中国科学院高能物理研究所
2014年4月21日
高能物理学术年会 武汉
内 容
1. KM2A-ED的实验要求
2. ED优化设计与性能研究
3. 原型/定型阵列实验进展
总结与展望
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1. KM2A-ED的实验要求
KM2A实验阵列:
(1)5635个ED;(间
距15米)
(2)1221个MD (间距
30米。总面积超过4万
平方米);
(3)探测器呈品字型
均匀分布在半径为635
米的区域内。
KM2A研究目标:
(1)发现河内宇宙线源;
(2)北天区扫描研究高能伽
马辐射(10TeV—PeV);对
河内50TeV γ源的灵敏度达到
1%Crab
(3)宇宙线物理( 几十
TeV—100PeV )等
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ED探测原初粒子引发的EAS前锋面上的次级粒子数密度和到达时间的信息。
ED的实验指标要求:
(1)电磁粒子:μ±、e±、γ。覆盖5mm铅板,阈能5MeV以上。
(2)有效面积:1m×1m; 。
(3)探测效率:>95%;
(4)探测粒子数动态范围:[email protected][email protected] ;对应的光电
子数范围:20p.e. ~ 2×105p.e.
(5)时间分辨:<2ns;
(6)单道计数率: < [email protected]×105;
(7)高海拔野外运行( 0.6atm, 年温差变化:±25℃;紫外线辐照强度大),
超过10年的使用时间等。
ED研究内容:
(1)各组分的选型;
(2)组装工艺与性能稳定性;
(3)阵列实验的运行与数据分析等
当前目标:优化完善ED设计,达到LHAASO项目初步设计报告的要求,为未
来工程进展提供保证。
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2. ED的优化设计与性能研究
(1)探测灵敏单元的结构
探测灵敏单元:
光纤嵌入闪烁体Tile,再依次内
里到外包裹一层Tyvek膜和避光
黑布。
Tile尺寸:25cm× 25cm× 2cm, 8
grooves ;
光纤:BCF92(1.5mm,3.2m);
塑闪临界使用寿命的标定
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(2)光电倍增管选型及分压器设计
指标参数
要求
山东大学合作组承担批量PMT测试任务
能谱响应(350nm—
平均量子效率>10%
候选管型:XP2012B、XP2072、
R11102/CR284;
600nm)
增益
4×105
不均匀性
<10%
暗噪声计数率
<1.5kHz
阳极最大线性电流
>50mA (非线性<5%)
增益的变化
< 3% (磁屏蔽层)
< 5%(高压影响)
XP2012型分压器设计
“阳极+DY6”双重读出
面向批量使用的分压器完善设计工作正在深入展开
单光电子峰
Gain
4×105
Anode
25.6mA /200粒子
Dynode
> 9mA /10000 粒子
Anode/DY6 ~ 130
高压响应
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(3)电源及监测系统
河北师范大学合作组承担电源系统的选型
与批量测试
“直流源+高压模块+单片机监控”
高压输出:
温度系数为 0.01%/ºC ;纹波系数
为0.01%
(4) 电子学系统等
测量ED的脉冲电荷量和到达时间信
息。高能所实验物理中心负责。
基于以太网的亚纳秒精度定时分布系
统将参考频率及绝对时间标准分布到
每一个探测器读出电子学前端,使得
所有FADC都同步采样,时钟频率及
相位对齐,且所有数据时间戳误差保
证小于1ns。清华大学合作组负责该
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项目。
(3) ED的组装工艺及性能测试
ST-401型探测灵敏单元
(25cm× 25cm× 2cm;表面8个光纤槽 )
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规范光纤研磨工艺;
检验探测灵敏单元之间的一致性;
外壳的设计;
整体组装及性能测试等
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光电倍增管
探测灵敏单元
电源系统
单根光纤之间的不一致性小于7%;
单个探测灵敏单元上测试光纤束(4根)的不一致性小于2.4%;
近200块ST-401型探测灵敏单元的不一致性约为10%;
单粒子测试时,探测灵敏单元平均光电子数超过20p.e.。
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ED样机的性能测试
山东大学合作组承担ED整体性能扫描任务
选择单muon入射事例的实验结果:
• 不同位置的不一致性约为10%;
• 平均收集光电子数为20;
• 幅度分辨率小于23%;
• 时间分辨:2.0ns;
• 探测效率超过95%。
上述结果表明ED基本达到实验指标要求。
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3. 原型/定型阵列实验进展
ED原型样机阵列实验与ARGO-YBJ实验的复合运行:2010.10 — 2012. 11。
触发方式:42选5,事例率约为45Hz,数据量:1.5GB/day。
与ARGO数据的符合成功率达到95%,实验结果得到ARGO-YBJ实验结果
的检验,也证实了KM2A阵列设计的可靠性。
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探测器运行的长期稳定性
利用KM2A-ED原型样机阵列实验近两年
的数据得到的月影结果(显著性达到5.8σ)
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定型阵列实验的筹备与进展
羊八井站区,建设时间为今年5、
6月份。阵列规模:42个ED和2个
MD。总的覆盖面积约为
82.5m×78m。
ARGO Hall
KM2A Array
(1)新ED性能的检验;
(2)基于以太网的亚纳秒精度定时
分布系统的使用与检验;
(3)新的电子学系统和DAQ系统的
检验;
(4)探测器阵列的标定和数据分析
工作等
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总结与展望
(1)ED定型工作进入完善设计阶段,其性能指标基本满足实验要求。
(2)定型阵列实验正在积极准备,探测器、电子学和数据采集系统将
得到全面检验。
(3)定型阵列实验的运行和数据处理将为LHAASO-KM2A初步设计报
告的完善提供好的依据。
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谢谢大家
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