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LHAASO 水切伦科夫缪子探测器研究

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LHAASO 水切伦科夫缪子探测器研究. 李秀荣 中科院高能物理研究所粒子天体中心 第九 届中国高能物理大会(武汉 ). LHAASO 与 MD. LHAASO : 1 平方公里阵列的复合型高海拔宇宙线观测站,核心目标是探索高能宇宙线起源以及宇宙和高能天体演化机制,进行新物理前沿的研究. LHAASO-KM2A (一平方公里电磁粒子探测器与缪子探测器阵列) 物理目标 为超高能宇宙线起源和宇宙线物理研究;要求覆盖能段 20TeV-100PeV , 50TeV-100TeV 处对伽玛光源巡天灵敏度小于 1% 蟹状星云, 100TeV 能段 1 年能收集到 10 个光子水平.

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lhaaso

LHAASO水切伦科夫缪子探测器研究

李秀荣

中科院高能物理研究所粒子天体中心

第九届中国高能物理大会(武汉)

lhaaso md
LHAASO与MD

LHAASO:1平方公里阵列的复合型高海拔宇宙线观测站,核心目标是探索高能宇宙线起源以及宇宙和高能天体演化机制,进行新物理前沿的研究

LHAASO-KM2A(一平方公里电磁粒子探测器与缪子探测器阵列)物理目标为超高能宇宙线起源和宇宙线物理研究;要求覆盖能段20TeV-100PeV,50TeV-100TeV处对伽玛光源巡天灵敏度小于1%蟹状星云,100TeV能段1年能收集到10个光子水平

LHAASO-KM2A-MD作用: 通过缪子数扣除宇宙线本底,得到干净的高能gamma事例,研究宇宙线起源与加速机制;宇宙线能谱和结构分析

MD主要指标要求:

时间分辨<10ns

1-10000个粒子动态范围

对缪子有85%以上的探测效率,对99%的纯度

slide4
MD探测器的优化

探测器面积优化:模拟得到不同探测器面积和间距时的阵列探测器灵敏度,平衡灵敏度与探测器造假

优化后的缪子探测器阵列:

1平方公里面积上分布1221个圆柱形水切伦科夫探测器,每个间距30m,覆盖面积43956 平方米

将探测器直径设为6.8米,模拟不同高度时

水切伦科夫探测器的响应,得到探测器高度达到

1米时信号趋于稳定

优化后的单元缪子探测器:直径6.8m,高1.2m的水切伦科夫探测器,探测器顶部放置一个向下的8英寸球形光电倍增管,内壁为高反射的Tyvek材料,里面充满超纯水

lhaaso md1
羊八井第一台LHAASO-MD探测器样机实验

实验目的是验证实验方案在4300米海拔的可行性与稳定性,包括检验探测器水质保持以及抗冻能力、本底排除能力以及数据分析和模拟对探测器响应的重建精度计算能力

实验中遇到的问题与解决方案:

1. PMT受磁场干扰—Hamamatsu PMT

2. 安装时温度太低—加土工膜

3. 正高压PMT信号过冲与振铃—修正

md fee
MD波形与FEE电子学数据

YBJ:EMI

IHEP:Hamamatsu

YBJ:Hamamatsu

slide8
MD单元探测器样机数据分析

研究PMT base设计,找出信号产生过充与振铃的原因,对示波器波形进行修正

time (ns)

slide9

修正电子学机箱电荷,得到示波器数据与机箱数据的一致性修正电子学机箱电荷,得到示波器数据与机箱数据的一致性

从缪子波形尾巴提取出单光电子波形,监测单光电子电荷以及PMT增益。

geant4
单元探测器样机的Geant4 模拟

模拟得到PMT光电子时间分布

模拟得到PMT光电子数

slide12

得到模拟和数据波形与光电子数的基本一致性

  • 单光电子:从缪事例波形尾巴提取,得到单光电子平均分辨和平均幅值
  • PMT渡越时间分辨:根据PMT官方参数以及一些测量结果
  • 反射率和衰减长度: 用不同参数模拟,循环用不同参数比较六个位置入射的缪子数据与模拟的波形,直到不同位置的信号模拟都基本符合

MD样机数据与模拟波形的比较

从波形尾巴提取单光电子

1m2m

2m2m

tyvek
Tyvek反射光学模型测量

Tyvek反射模型

在平面内不同角度测量漫反射和弥散镜面反射的比例

并做相应的模拟

结合模拟得到整个空间上弥散镜面反射的分辨为

约10度,比例约占12%。即漫反射的比例大于85%

拟合实验测量结果得到光纤平面上弥散镜面

反射的分辨(10度)和比例(约25%)

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反射率与衰减长度的同时测量

PMT光子数变化:

新方案:测量不同水深时光的有效衰减长度,

结合模拟得到的反射步长,同时拟合出反射率和衰减长度

slide15

光在水中衰减长度和Tyvek在水中反射率的同时测量光在水中衰减长度和Tyvek在水中反射率的同时测量

  • 实验方案:
  • 1m 直径1m高 tank,Tyvek材料, 1.5inch PMT, LED
  • 空气中Tyvek反射率测量
  • 不同水位高度时测量探测器有效衰减长度,同时拟合出反射率与衰减长度

实验结果:

用新方法测得空气中Tyvek反射率,符合已知结果

蓝光在水中衰减长度与Tyvek在水中反射率同时测量

Next:提高实验精度,测量不同波长不同水质的结果

Preliminary

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光电倍增管阳极与打拿级同时读出 (ED组)

设计并实现满足实验要求的PMT打拿级与阳极同时读出)

通过真实数据和模拟估算10000个缪子入射时信号大小

红色: DL=30m

黑色: DL=50m

阳极与打拿级有overlap

实现测量单光电子到10000多个缪子的动态范围

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MD波形采样电子学板(实验中心电子学组设计)MD波形采样电子学板(实验中心电子学组设计)

电子学板接收PMT信号,进行AD采样,在FPGA组装打包后通过光纤发送给PC

电子学噪音小,满足测量单光电子要求

阳极波形采样电子学板已经过实验测试

打拿级电子学信号读出已设计完成

电子学波形与示波器波形的区别

电子学Pedestal分布。分辨小

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MD定型样机实验
  • 在羊八井采用地下深两米
  • PMT负高压供电,阳极与打拿级同时读出base
  • 电子学取数系统改成电荷采集+波形取数
  • 电子学时钟采用LHAASO大阵列时钟系统
  • 与40块ED联合取数,用ED探测器触发

用于检验MD定型样机以及电子学和时钟系统的工作性能, 并通过定型阵列研究/p鉴别能力和对宇宙线重建能力等

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总结
  • 在高能所和羊八井分别做了一个MD样机实验,单元探测器样机的模拟和数据分析基本一致
  • 得到并初步验证了同时测量水衰减长度和Tyvek反射率的方法
  • 改进了PMT以及电子学取数系统,将在羊八井做一台新的MD定型样机,并与ED联合取数
  • 下一步进行探测器和阵列的细节优化以及阵列的数据分析和模拟以及/p鉴别和原初宇宙线重建等方法研究