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WCDA 工程样机的实验研究陈明君2014-4-21

大型高海拔空气簇射观测站

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报告内容• WCDA 项目方案介绍• 羊八井工程样机的运行• 小结和计划

平方公里阵列KM2A:5635 EDs1221 MDs

水切伦科夫探测器阵列WCDA: 3600 cells90,000 m2

广角切伦科夫望远镜阵列WFCTA:24 telescopes1024 pixels each

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.

大型高海拔空气簇射观测站(LHAASO)

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LOCATION OF LHAASO

400Km

中国四川省甘孜州稻城县亚丁 - 海子山

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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 ) <1%@5 TeV

角分辨 (°) <0.2@5 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 <30%@ 单光电子

<5%@4,000 光电子指向精度 <0.1°

视场大小 2/3

探测器基本结构：• 4 个水池，每个水池 150m*150m• 单元尺寸： 55 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

0.016 CRAB @ 1 TeV0.009 CRAB @ 5 TeVWCDA 技术参数

WCDA PROJECT— 探测器组成

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九个单元九个单元 九个单元

九个单元FEEFEEFEEFEE

100 个基站

DAQ 系统 &在站数据存储 LED system

时钟系统

3600 个单元

环境监测系统水质监测设备

水循环和净化系统

高压系统

• 九个单元为一小组• 四个小组为一大组• 一大组为一个基站

时间刻度方法：• Using LED + Optical fibers;• LED flash frequency: 5Hz （ 17KHz ）

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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

SPE spectrum 2nd u-peak position

• 时间标系统，更多请参考游晓浩报告。

由于 muon直接打在 PMT上引起的，不受水质等影响。

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ARGO

位于西藏羊八井镇的 ARGO 园区内， 4300 米海拔。

WCDA 羊八井九单元工程样机的工作介绍

工程样机（九个单元，百分之一规模）

(2011/2—2013/10)

前放 + 电子学板

PMT 1

PMT2...

PMT9

7m 100m

100m

Pre-Amp1

LG

HG

Buffer

Buffer

Shaping

Shaping

ADC

ADC

DAC

FPGA

TDC

Channel 1

Camparator

CPLDPre-Amp2

.

.

.Pre-Amp9

Channel 2 ...

Channel 9

PMT_CALIB

Ext_Trigger

DATA/CTRL

CONFIG

VM

E INTER

FAC

E

POWER

VME BUS

Comparator

Comparator

ClockMultiplier

PLL

Ext_CLK0

Ext_CLK1

CLKFANOUT CRYSTAL

To ADC/FPGA/CPLDRS-232

To LVTTL

RS-232 GPSModule

Calibration

FLASHSRAM

Analog

Clock(Digital)

Digital

1-PPS Tim

e In

fo

PMT_CALIB

PLL

To FPGA(TDC)

FLASH

工程样机的电子学系统

• 最高单路计数率可测到 70KHz

1X

25X

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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%

一个月时期的单光电子峰位变化SPE position VS. temperature.

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工程样机的运行—光密闭和保温

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！

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

• 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。

单路计数率约 35-40KHz@ 水水衰减长度 =22m

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工程样机的运行 -- 水质保持问题

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。

停止水循环后：水质维持在 22m 约 20 天后开始下降变坏。

水衰减长度和时间的关系

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工程样机的运行 -- 宇宙线簇射事例的探测与重建 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。

两个实验对相同簇射的重建方向间的空间角。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。

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工程样机运行小结 :• 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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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• 探测器安装方案考虑（高海拔、两年长时间）

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谢谢大家！

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BACKUP

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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。

依赖于簇射芯位距阵列中心的距离（ R ）： nPMT20 ： >60% 的事例能够触发； nPMT30 ： >90% 的事例能够触发。

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

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工程样机的运行—单路计数率等

单路计数率随水位的变化

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

水池内空气氡气浓度测量

2.4K Bq/m^3