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LHAASO 计划电子探测器预研进展

盛祥东

高能物理分会第八届全国会员代表大会暨学术年会 2010 年 4 月 17 日— 19 日 南昌

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报告内容

1. 电子探测器的设计特点 2. 光电倍增管的性能测试 3. 电子探测器的性能测试 4. 电子探测器小阵列在 IHEP的试运行 5. 小阵列在 ARGO实验大厅的搭建及运行

总结与展望

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图 LHAASO阵列示意图

KM2A参与的主要科学目标：（ 1 ） 30TeV以上 γ 天文。对河内 γ 源的灵敏度在 50TeV处达到 1% Crab，寻找宇宙线源存在的直接证据等；（ 2 ） 实现超高能区宇宙线能谱和成分的测量。（同WCDA 、 SCDA 、 WFCA等复合观测）

KM2A阵列的规模： 整个 KM2A阵列由 5137个电子探测器（单个 ED面积为 1m2 ，间距为 15米）和 1209 个 μ探测器 ( 单个 MD面积为 36m2 ，间距为 30米）组成，探测器单元呈三角形均匀排列。

地面粒子阵列（ KM2A）及其中的电子探测器

电子探测器的设计指标 每个电子探测器将测试能量超过 5MeV的簇射带电粒子的密度和到达时间。其中，测试粒子数的动态范围： 1—4000个粒子。另外，对光电倍增管输出信号和后续的读出电子学而言，要求其粒子数分辨率达到： 25%@单粒子， <5%@4000个粒子以及时间分辨率小于 2ns。

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1. 电子探测器的设计特点

图 探测器单元“ Tile”结构

“cassette”

图 电子探测器外观

电子探测器的设计结构： * 4×4个闪烁体单元（称为“ Tile”）组成一个电子探测器灵敏区； * 每块 Tile的尺寸为 25cm25cm2cm； * “Tile” 表面埋设 8 根长度为 30cm的波长位移光纤（ BCF92）； * 波长位移光纤一端镀铝，另一端与 2.5m长的透明光纤（ BCF98）通过光学胶相连； * “Tile”外部包裹一层 Tyvek反射膜，以提高光收集效率； * 每个电子探测器全部 128根光纤汇成一束，将收集的闪烁光传递给一只光电倍增管的光阴极上。光电倍增管阳极输出信号由后续的电子学进行相应处理 ; * 当前电子探测器的外壳为铝制结构。新的铁壳（作为 EAS次级光子转换体）结构将出现在未来电子探测器的优化设计之中。

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2. 光电倍增管的性能测试 60只 XP2012B光电倍增管（端窗、直线聚焦、锥形分压设计）的测试： a. 高压响应 （ β值） 光电倍增管的增益（ Gain）是工作高压的函数。 实验测试给出的β值平均约为 7.63-7.86。 b. 线性度 阳极脉冲电流的线性变化由几十微安到近 80毫安，跨越 3 个量级。 c. 单光电子峰的测量 测试多只光电倍增管的单电子幅度谱，计算出的绝对增益约为 107 。 d. 地磁效应的影响等 北京地区的地磁强度为 0.55高斯，磁倾角约为 58度。测试地磁场中光电倍增管的不同放置方式下信号输出幅度的变化特点，结果显示其最大影响接近 10%。

XP2012B 光电倍增管

图 XP2012B型光电倍增管单光电子峰的测量 图 地磁效应的影响

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3. 电子探测器的性能测试

Telescope实验装置图

实验上对 40个电子探测器进行一系列的测试（包含对各 Tile单元进行扫描），给出相应的单μ幅度谱和相应的时间分辨。

（ 1 ） 实验室搭建测试电子探测器的Telescope。 用于触发的两个闪烁体小探头，分别置于 Telescope上下位置，用于符合选择近垂直入射 muon，压低噪声引起的偶然符合事例率。

（ 2 ） FEE板电子学标定• 各路 channel台阶长期运行的稳定性监测；• 每路 channel的放大倍数（包含 High Gain 和 Low Gain）的标定；• 每路 Channel输入电荷量与输出幅度值之间的线性关系的标定等

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实验结果：• 单 muon测试时，电子探测器的光阴极可以得到超过 10个光电子；• 同一“ Tile”上不同位置上的平均信号幅度基本一致；• 不同电子探测器上各“ Tile”之间的响应差别稍大，问题尚需进一步研究解决；• 当前的测试结果时间分辨好于 1.8ns，如果考虑对过阈甄别测量不同幅度信号导致的 time-walk效应的影响进行修正，得到的探测器的时间分辨将会更好。

电子探测器的时间分辨测量图 电子探测器的单 muon幅度测试谱（光阴极产生的光电子约为 10个）

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（ 2 ） 电子探测器测试海平面 muon计数率

利用电子探测器测量海平面宇宙线μ，得到： * 海平面μ流强 * μ计数率随天顶角的变化特点 * μ计数率随等效水深的变化特点

实验测试得到的结果与当前实验结果或预期值较为一致，表明电子探测器具备正常、可靠的探测性能，为更深入的应用和测试提供保障。

图 塑闪探测器 +WCD telescope实验示意图

图 塑闪探测器单粒子（ muon）幅度谱

The measured muon Flux at sea level is about 150Hz/m2

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海平面上 μ 计数率随天顶角的变化特点

0

0. 5

1

1. 5

2

2. 5

3

3. 5

4

0 10 20 30 40 50Zeni th (Degree)

Freq

uenc

y (H

z)

MeasuredCal cul ated

海平面 μ 计数率随等效水深的变化特点

2. 2

2. 4

2. 6

2. 8

3

3. 2

3. 4

0 100 200 300 400 500 600

Equivalent Water Depth (cm)

Fre

quen

cy (

Hz) 等效水深与 muon积分流强的关系

( 上图中，红点是美国 Caprice实验数据，蓝点为本实验测试结果 )

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4. 电子探测器小阵列在 IHEP的试运行

(1) 小阵列的搭建 由 40个电子探测器组成的小阵列已经在北京 IHEP搭建完成并投入运行。它的规

模占 LHAASO计划中电子探测器总数的 1%弱，这将有利于我们从小规模实验开始，积累建设较大规模探测器阵列的经验。进而优化探测器设计与阵列布局，解决涉及的关键技术问题，使 KM2A整体阵列布局成为可行的成熟的技术方案。

电子探测器小阵列的布设（局部）图

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名称 主要配备 数量 备注电子探测器 “ Cassette” 40个 UPS-89闪烁晶体

BCF92和 BCF98型光纤PMT （ XP2012B） 40只 负高压 -1600V

高压模块电源 40块 温度系数 0.01%、纹波系数 0.05%

输出电压： 0 ～ -2000V

低压模块电源 40块 输出： 24V信号电缆 40根 每根长度 45米，信号衰减

约为 12%

低压电缆 40根 每根 45米，传送～ 220V， UV-RVV 3*1.0mm2

避光避雨帆布 40张数据采集系统 VME机箱 1 个 9U

FEE读出插件 3 块 每块 16路测量通道触发插件 1 块 接受 3 个读出插件的 PMT“

着火”数，发出触发信号CPU板 1 块 控制插件、传输数据和命令计算机 1 台 采集、存储以及处理数据GPS模块 1 块 记录触发的绝对时刻，用于

离线事例比对

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（ 2 ） 小阵列的调试与数据处理 电子探测器小阵列在 IHEP正式搭建完成，初步采数正在运行，预计稳定运行时间能够持续一个月。

* 标定 3 块 FEE读出插件电子学 电子学标定：如记录台阶变化、标定 FEE板各 channel的 High、 Low Gain以及电荷读出线性的标定、单道计数率等 ) 。

* DAQ调试 小阵列取数模式的调节、电子学配置（各通道的阈值配置，触发条件等信息）以及数据和 run信息存储和增加 GPS模块，给每一个事例加上时间信息等

* 整个小阵列探测系统的在线标定 以宇宙射线 muon 为入射粒子，利用两个电子探测器搭成的标定 Telescope 对小阵列中 40 个探测器信号输出时间、脉冲幅度等信息逐个进行标定，计算各探测器间的记录 TDC 时间的绝对差异和相应的幅度值。

* 实验数据采集与处理 当前的实验数据采集： 将 30个探测器并入 DAQ， trigger选择 Nhit≥5。 数据处理面向：检验小阵列各探测器的运行状态及稳定性以及海平面小阵列记录到的簇射事例率、产生的 Nhit分布及事例方向重建等分析。

* 发展相关的小探测器模拟工作，与实验结果进行比对

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图 当前实验测试的结果

图 簇射事例的平面拟合

实验结果表明：当前小阵列的运行基本正常，但各方面的调试与完善工作仍在紧张进行，以便为不久后在羊八井的运行做好充足的准备。

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Dirt (2.8m)

muon塑料闪烁体探测器

5. 小阵列在 ARGO实验大厅的搭建及运行

按照计划，小阵列最终将于 6 月份在西藏羊八井 ARGO大厅中心阵列区安装运行。实现小阵列数据与 ARGO数据的结合，筛选比对事例，给出 EAS事例计数率、事例方向重建、计算穿过探测器带电粒子数等信息，从而验证小阵列的运行特点。 另外，小阵列还可以与 ARGO大厅旁待建的 Muon塑闪探测器、 WCD水池实验相结合，实现 1%规模 LHAASO阵列的联合运行。

1%LHAASO阵列的布局

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总结与展望

1 ） 电子探测器的性能研究已得到多方面测试和理解；2 ） 小阵列已在 IHEP搭成并稳定运行。它的工作状态稳定可靠，但各方面的完善工作仍在进行之中；3 ） 小阵列实验将与 ARGO实验相结合，可以实现相互验证和标定的目的；另外， 1%规模的 LHAASO实验将在羊八井深入展开，为 LHAASO阵列的深入发展提供经验；4 ） KM2A探测器的优化设计和阵列布局的优化正在进行，已逐步发展相应的蒙特卡洛模拟程序。

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谢谢大家！