Transcript 盛祥东高能所LHAASO项目电磁粒子探测器实验研究进展

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：25%@单粒子 — 5%@10000个粒子 ；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： < 1.5kHz@4×105；
（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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