LHAASo-WCDA电荷标定和时间标定的研究

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大型高海拔空气簇观测站(LHAASO)计划是我国科学家提出的一个面向十二五期间宇宙线和高能伽玛天文实验研究的重大科学基础设施规划项目。LHAASO计划主要包括4个类别的实验装置:平方公里探测器阵列(KM2A)、水切伦科夫探测器阵列(WCDA)、广角切伦科夫望远镜阵列(WFCTA)和簇芯探测器阵列(SCDA)。它总共占地1.2平方公里,站址海拔高度在4300米左右,预期在2018年建成。  作为其中一个重要组成部分,LHAASO-WCDA实验的主要的物理目标为甚高能伽马天文的巡天探测,包括甚高能伽马源的探测与监测、能谱测量以及扩展形态的研究。实验装置的主体是一个共90000平方米的水池,用隔光帘分割成3600个探测单元,每个单元安装一个大尺寸(直径20-25厘米)的球形光电倍增管。相对其它传统的空气簇射地面粒子探测器阵列,水切伦科夫探测效率较高,而且具有更高的本底排除能力,成为未来同类别实验发展的一个趋势。  为研究水切伦科夫的探测机制,以及充分了解工程方面的问题,我们先后在高能所和羊八井建造了原型探测器和工程样机阵列。原型探测器探对切伦科夫探测器的计数率、脉冲波形进行了研究,并探测到了muon峰,可用于电荷标定。工程样机预估了造价、探讨和检测了工程上可能遇到的问题、测量了单路计数、测到了簇射事例、并与ARGO-YBJ实验联合分析,表明了实验的成功。于此同时,我们发展了一套独有的光电倍增管的防水封装方案,可以大幅度降低成本。结合工程样机对此方法的检测进行了改进,验证了此防水方案的可行性。  光电倍增管及其电子学的标定,对于伽马源的能谱测量非常重要。WCDA有3600个PMT,每个都分为高低两个量程,共对应于7200路电子学。我们需要对每一支光电倍增管及每一路电子学进行刻度,并且做到在线刻度,保障实验物理结果的准确性、可信性与实时性。为此,我们研究了水契仑柯夫探测器的标定方法,通过自然光源,即宇宙线muon和电磁粒子信号对高低量程通道进行标定。通过工程样机的长时间验证,我们认为这种方法可以达到2%的精度。  探测器阵列的时间测量精度,影响到探测器的指向精度以及事例重建的方向精度,直接关联于探测器的主要性能指标,即伽马源的探测灵敏度。为实现3600支光电倍增管及其电子学的时间标定,我们设计了一套基于LED与光纤的时间标定系统,完成阵列的分区标定,同时通过交叉标定的方法实现整个阵列的标定。借助向LED发布5-10 Hz的低频脉冲信号,可以实现整个探测器的实时标定。通过各种实验测试以及工程样机上小系统的检验,我们认为这种标定方法满足实验的需求。  
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