大亚湾中心探测器设计

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Transcript 大亚湾中心探测器设计

大亚湾中微子实验
中心探测器的物理设计
曹 俊
中国科学院高能物理所
核探测技术与核电子学重点实验室年会, 2009-4-21
实验整体方案
总共有8个中心探测器,
1900m
1500m
位于三个实验大厅:
两个近点探测器分别测
量两组反应堆,各放置
2个中心探测器模块
500m
360m
远点探测器位于振荡极
大点2公里处,放置4个
中心探测器模块
8个模块全同(远近相
对测量抵消误差)
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地下实验大厅
Oil Buffer
Gamma Catcher
RPC
20 t Gd-LS
Antineutrino detector
Water Cherenkov
RP
C
Reflective panel
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反应堆中微子能谱与事例率
90/天/模块
Peak at ~4 MeV
650/天/模块
640/天/模块
反衰变反应:
每模块20吨靶质量
 e  p  e  n
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反应堆中微子振荡
大亚湾实验的物理目标是测量sin2213到0.01(90% C.L.)
2
 m312 L 
4
2
2  m21 L 
Pee  1  sin 213 sin 
  cos 13 sin 212 sin 

4
E
4
E






2
2
假定sin2213=0.1, E=4 MeV
如果发生振荡:1)事例总数(比无振
荡预期值)减少;2)能谱变形
对能谱平均后,近点减少~0.2sin2213,
远点减少~0.8sin2213。如果sin2213=0.01
,只用总数,需要观测到0.6%的减少。
对大亚湾实验的规模,总数与能谱同样
重要。
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中微子事例信号:能量
Prompt signal
e  e  2
 e  p  e  n


Capture on H or Gd,
Delayed signal, 2.2, 8 MeV
阈值1.8 MeV
对应可观测能量
1.022 MeV
 e  p  e  n
正电子能谱就是中微子能谱平移0.8 MeV
Capture on H
Capture on Gd
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中微子事例信号:符合时间
快慢信号符合可以极大地去除偶然符合本底。
• 天然放射性设计值100 Hz,远点中微子事例0.001 Hz
• 符合时间窗可取为1-200微秒
在10-150微秒内可用指数函数很好地描述。
中子在钆上的俘获时间,~30微秒
俘获时间的上升沿放大图
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时间判选Inefficiecy
inefficiency
Inefficiency较大,事例时间不准可能会带来一点误差
0.1% Gd
> 200 s cut: Ineff.=1.7%
> 100 s cut: Ineff.=6.5%
inefficiency
(μs)
<1 s cut: Ineff.=0.24%
<2 s cut: Ineff.=1%
(μs)
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系统误差
精确测量13的关键是控制系统误差
 远点三年数据统计误差为0.2% (20吨靶质量/模块)
 系统误差主要来自反应堆、探测器系统误差、本底减除
 反应堆误差~0.1%
 本底减除误差 0.1-0.3%
 探测器系统误差
 靶质量误差
0.2-0.3%
 能量判选误差
0.2-0.3%
 时间判选误差 < 0.1%
降低探测效率误差
 如有可能,尽量减少inefficiency
确定靶质量
 否则,降低判选误差
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中心探测器结构

三层结构的同心圆柱体
 靶层:
20 ton (0.1% Gd LAB-based LS)
 集能层: 20 ton (LAB-based LS)
Calibration
system
Steel tank
 屏蔽层 : 40 ton (mineral oil)

192个低本底8-in光电倍增管

上下加反射板
PMT
Mineral oil
Liquid Scint.
20-t Gd-LS
~ 12% / E
5m
1/2
3.1m acrylic tank
4.0m acrylic tank
5m
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液闪探测反应堆中微子
e  e  2
n  Gd  Gd *  Gd   s (8MeV)
 e  p  e  n
可见光光子



中子
中微子
正电子


MeV 伽马平均自由程~20cm
白油
液闪
掺钆液闪
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为什么要三层结构?

白油屏蔽层减少天然放射性本底
 不锈钢外罐、PMT玻璃等  50cm能减少20倍。
 如果不加屏蔽层,需要做顶点判选去除放射性本底
 需要高的顶点重建精度,更多的PMT
 顶点拟合带来的fiducial volume误差大,且不易确定

普通液闪层减少伽马能量泄露,减少Inefficiency,减少
能量判选误差
Capture on H
Capture on Gd
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集能层厚度


提高中子探测效率,减少误差
由于cut处相对平滑,能量精度影响并不大
42.5 cm
Inefficiency 9%
II
0 cm (换成靶物质)
Inefficiency 25%
42.5cm
6 MeV判选误差(假定1%能量标度误差)
40ton
20ton
我们能够容忍的极限
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屏蔽层

矿物油(白油)~50cm
 不闪烁,使光源远离PMT
 屏蔽PMT玻璃、钢罐的放射性
,,
 材料兼容性好
III
PMT表面到液闪应至少>15cm
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反射板

探测器内上下采用反射板,是大亚湾实验的创新设计。




减少PMT约40% (需要覆盖的面积 91m2 55m2)
机械结构更简单
z向能量响应更均匀
ESR反射膜~99%镜反射率
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本底

9Li/8He


-n cascade, Prompt: , Delayed: n
“快中子” 本底 (关联本底)



(关联本底)
Energetic neutrons produced by muon, Prompt: recoil proton,
Delayed: thermalized neutron
Neutron emission by muon capture on C, O
偶然符合本底


Positron-like signal (Singles, <100 Hz)
 Natural radioactivity (PMT, Rock, Steel Vessel, LS, … <50 Hz)
 Muon, cosmogenic isotopes, etc
Neutron-like signal (<200/day)
 Single neutrons: Muon  neutron  single neutron in detector
 Long lived isotopes (e.g. 12B/12N)
 Other events in 6-10 MeV (e.g. Michel’s electron, muon, etc)
来源:宇宙线,天然放射性
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宇宙线子
最小离子化 200 MeV/m
大亚湾 ~3% Shower muon. Shower muon能产生大量的中子与长寿命同位
素(占总数的50-80%),因此希望在Shower之后反符合较长时间,
需要能够区分最小离子化muon和Shower muon.
中心探测器接受
面积约15 m2
• 1000 MeV
Shower
• 平均 600 p.e./PMT (假定PMT响
应线性的话)
• Muon产生散裂中子是天然的刻度
源,需要很快回到基线测量中子
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PMT光电子数

液闪光产额 ~1万光子/MeV,中心探测器~120 p.e./MeV


液闪衰减至60%,12%接受面积,20% PMT量子效率,80% PMT光电
子收集效率
中微子事例阈值 1 MeV,每个探测器192 PMTs,平均 0.6
p.e./PMT 需要很好的单光电子探测能力。
8 MeV中子
各PMT看到的最大p.e.数
Fine range 0-200 p.e.
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Muon事例 PMT光电子数

Full range 0-1000 p.e. 对shower muon与最小离子化muon
的分界线1000 MeV,平均600 p.e./PMT。
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光电子时间分布

光子到达PMT表面的时间=液闪发光时间+飞行时间(光
源到PMTs距离,直接光与反射光)
PMT光电子时间分布

以第一个hit为T0
(正电子事例)

10
20
30
40
50
60
70
80 (ns)
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电子学要求
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