陈明君高能所: WCDA工程样机的实验研究

Report
WCDA工程样机的实验研究
陈明君
2014-4-21
1
大型高海拔空气簇射观测站
报告内容
• WCDA项目方案介绍
• 羊八井工程样机的运行
2
• 小结和计划
大型高海拔
空气簇射观测站
(LHAASO)
平方公里阵列
KM2A:
5635 EDs
1221 MDs
广角切伦科夫望远镜阵列
WFCTA:
24 telescopes
1024 pixels each
水切伦科夫探测器阵列
WCDA:
3600 cells
90,000 m2
簇射芯位探测器阵列
SCDA:
452 detectors
Coverage area: 1.3 km2 (1.3 km)
Altitude: 4400 m a.s.l.
LOCATION OF LHAASO
400Km
4
中国四川省甘孜州
稻城县亚丁-海子山
WCDA PROJECT(水切伦科夫探测器阵列)
阵列覆盖面积
90,000 m2
单元探测器数目
3,600
灵敏度(Crab流强)
<[email protected] TeV
角分辨(°)
<[email protected] TeV
时间分辨(ns)
<1
动态范围
1-4,000
光电子/单元
粒子数分辨 / 电荷测量精度
<[email protected]
<[email protected],000光电子
指向精度
<0.1°
视场大小
2/3
WCDA技术参数
0.016 CRAB @ 1 TeV
0.009 CRAB @ 5 TeV
5
探测器基本结构:
• 4个水池,每个水池150m*150m
• 单元尺寸:55 m2
• 4 m有效水深,共约40万吨水
• 每个单元中央放置一个8-in PMT
• 每个单元之间光隔离
WCDA PROJECT—探测器组成
九个
单元
九个
单元
九个
单元
九个
单元
FEE
FEE
FEE
FEE
时钟系统
高压系统
DAQ系统 &
在站数据存储
LED system
100个基站
水质监测设备
3600个单元
水循环和净化系统
• 九个单元为一小组
• 四个小组为一大组
• 一大组为一个基站
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环境监测系统
WCDA project –刻度系统方案(电荷和时间)
刻度两点固定的电荷量:
• Low range  Single photon-electron
• High range  2nd u-peak
由于muon
直接打在PMT
上引起的,不
受水质等影响。
SPE spectrum
2nd u-peak position
时间刻度方法:
• Using LED + Optical fibers;
• LED flash frequency: 5Hz (17KHz)
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• 时间标系统,更多请参考游晓浩报告。
WCDA羊八井九单元工程样机的工作介绍
ARGO
位于西藏羊八井镇的ARGO园区内,4300米海拔。
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工程样机(九个单元,百分之一规模)
(2011/2—2013/10)
工程样机的电子学系统
Pre-Amp1
Channel 1
GL
PMT 1
Digital
Buffer
Shaping
ADC
Buffer
Shaping
ADC
100m
7m
GH
100m
SRAM
FLASH
DAC
Camparator
Pre-Amp2
.
.
.
Pre-Amp9
DATA/CTRL
Channel 2
.
.
.
Channel 9
PMT_CALIB
PMT_CALIB
FPGA
TDC
VME BUS
FLASH
Ext_Trigger
1-PPS
RS-232
To
LVTTL
GPS
Module
Ext_CLK0
Comparator
Clock
Multiplier
Ext_CLK1
Comparator
PLL
RS-232
CPLD
CONFIG
前放+电子学板
Analog
Time Info
PMT2
.
.
.
PMT9
VME INTERFACE
Calibration
To
ADC/FPGA/CPLD
To FPGA(TDC)
PLL
CLK
FANOUT
POWER
CRYSTAL
Clock(Digital)
1X
25X
• 最高单路计数率可测到70KHz
工程阵列的运行—稳定性问题
长期运行2nd μ-peak峰位稳定性
变化 ≤ 2.2%
SPE position VS. temperature.
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一个月时期的单光电子峰位变化
工程样机的运行—光密闭和保温
水池构造:
• 约有一半墙体覆盖在泥土之下
• 水深约4m
• 侧墙为普通水泥砖墙
• 屋顶为约7cm厚度的彩钢板
单路计数率约35-40KHz
@水水衰减长度=22m
冬季(12年12月-13年3月)
水池内水温变化图(10度降到6度)
不结冰!
测量昼、夜各PMT的单路计
数率无差异(@1/3PE阈
值),显示光密闭良好。
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•
工程样机的运行--水质保持问题
水衰减长度和时间的关系
水循环净化系统结构
•
•
•
水位:4.3m左右,总水量1650吨。
循环流量2.8吨/小时- -水质改善0.40m/天。
循环流量 4吨/小时-- 水质改善0.63m/天。
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停止水循环后:水质维持在22m约20天后
开始下降变坏。
工程样机的运行 -- 宇宙线簇射事例的探测与重建
ARGO实验和工程样机重建程序
分别得到簇射的天顶角的分布。
两个实验对相同簇射的重建方向间的空间角。
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 挑选出不少于5路PMT有信号的事例,利用平面拟合进行方向重建。
•
大面积下的工程避光问题
•
工程阵列的保温条件得到验证
•
PMT的防水封装技术
•
高海拔地区的单路计数率
•
优化了电荷/时间刻度方法
•
大体积量的水质保持问题
•
探测器的长期运行的验证
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工程样机运行小结:
WCDA的工作计划考虑
WCDA探测器规模化建设前,未来需着重以下几个方面的工作:
• 水池防水方案论证(采用HDPE膜水袋)
• PMT的选型和信号优化
• Hamamatsu R5912, 在工程样机中得到验证
• 海展创 XP1805,已得到两个样管
• 电子学系统内部方案定型 ( ASIC or not)
• PMT防水封装方案的进一步论证
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• 探测器安装方案考虑(高海拔、两年长时间)
17
谢谢大家!
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BACKUP
工程样机的工作进展记事
•
2011年2月14日,我组人员五人均第一次到达羊八井观测站,进行探测器安装工作
•
2011年2-6月:
对水池进行避光,漏水等工作
对各种线缆布设
安装各个子系统
对定标系统,电子学,PMT性能进行测试
•
2011年4月,安装水循环系统
•
2011年5月,安装四块塑料闪烁体探测器
•
2011年6月,水池清洗完成
•
2011年8月-11月,水位保持在70cm运行,进行试运行,双板电子学调试
•
2011年12月,测试定标系统,排干水
•
2012年2月,双板电子学开始工作,并且注水
•
2012年4月,修复一个PMT,重新注水
•
2012年8月,对水池内部进行防水涂料施工
•
2012年9月,水池重新注水,运行
•
2013年1月,更换超滤
•
2013年5月-7月,更换超滤,使用漂白粉和增加循环量,进行水质净化
•
2013年10月,测量电子学时间游动和仪器收纳。
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•
•
•
•
WCDA PROJECT--触发模式
以12*12个单元为一组;
相邻组由一半重叠;
各个通道的阈值设置1/3PE
组内250ns有多个PMT着火时触发,
比如12个,就只有小于1KHz的噪
声触发。
Noise
trigger

依赖于簇射芯位距阵列中心的距离(R):

nPMT20:>60%的事例能够触发;

nPMT30:>90%的事例能够触发。
工程样机的运行—单路计数率等
水静置一个星期,单路计数率的变
化,认为是有自然界放射性Rn引起
的。
单路计数率约35-40KHz
@水水衰减长度=22m
单路计数率随水位的变化
水池内空气氡气浓度测量
21
2.4K Bq/m^3

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