LHAASO项目电磁粒子探测器实验研究进展 盛祥东 中国科学院高能物理研究所 2014年4月21日 高能物理学术年会 武汉

内 容 KM2A-ED的实验要求 ED优化设计与性能研究 原型/定型阵列实验进展 总结与展望

KM2A-ED的实验要求 KM2A研究目标: （1）发现河内宇宙线源； （2）北天区扫描研究高能伽马辐射（10TeV—PeV）；对河内50TeV γ源的灵敏度达到1%Crab （3）宇宙线物理（ 几十TeV—100PeV ）等 KM2A实验阵列： （1）5635个ED；（间距15米） （2）1221个MD （间距30米。总面积超过4万平方米）； （3）探测器呈品字型均匀分布在半径为635米的区域内。

ED探测原初粒子引发的EAS前锋面上的次级粒子数密度和到达时间的信息。 （1）电磁粒子：μ±、e±、γ。覆盖5mm铅板，阈能5MeV以上。 （2）有效面积：1m×1m； 。 （3）探测效率：>95%; （4）探测粒子数动态范围：25%@单粒子 — 5%@10000个粒子 ；对应的光电子数范围：20p.e. ~ 2×105p.e. （5）时间分辨：<2ns； （6）单道计数率： < 1.5kHz@4×105； （7）高海拔野外运行（ 0.6atm, 年温差变化：±25℃；紫外线辐照强度大），超过10年的使用时间等。 ED研究内容： （1）各组分的选型； （2）组装工艺与性能稳定性； （3）阵列实验的运行与数据分析等 当前目标：优化完善ED设计，达到LHAASO项目初步设计报告的要求，为未来工程进展提供保证。

2. ED的优化设计与性能研究 （1）探测灵敏单元的结构 探测灵敏单元: 光纤嵌入闪烁体Tile，再依次内里到外包裹一层Tyvek膜和避光黑布。 Tile尺寸：25cm× 25cm× 2cm， 8 grooves ； 光纤：BCF92（1.5mm，3.2m）； 塑闪临界使用寿命的标定

（2）光电倍增管选型及分压器设计 XP2012型分压器设计 “阳极+DY6”双重读出 山东大学合作组承担批量PMT测试任务 指标参数 要求 能谱响应（350nm— 600nm） 平均量子效率>10% 增益 4×105 不均匀性 <10% 暗噪声计数率 <1.5kHz 阳极最大线性电流 >50mA （非线性<5%） 增益的变化 < 3% (磁屏蔽层) < 5%（高压影响） 山东大学合作组承担批量PMT测试任务 候选管型：XP2012B、XP2072、 R11102/CR284； XP2012型分压器设计 “阳极+DY6”双重读出

Gain 4×105 Anode 25.6mA /200粒子 Dynode > 9mA /10000 粒子 面向批量使用的分压器完善设计工作正在深入展开 单光电子峰 Gain 4×105 Anode 25.6mA /200粒子 Dynode > 9mA /10000 粒子 Anode/DY6 ～ 130 高压响应

（3）电源及监测系统 河北师范大学合作组承担电源系统的选型与批量测试 “直流源+高压模块+单片机监控” 高压输出： 温度系数为 0.01%/ºC ；纹波系数为0.01% （4） 电子学系统等 测量ED的脉冲电荷量和到达时间信息。高能所实验物理中心负责。 基于以太网的亚纳秒精度定时分布系统将参考频率及绝对时间标准分布到每一个探测器读出电子学前端，使得所有FADC都同步采样，时钟频率及相位对齐，且所有数据时间戳误差保证小于1ns。清华大学合作组负责该项目。

(3) ED的组装工艺及性能测试 1 4 3 2 规范光纤研磨工艺； 检验探测灵敏单元之间的一致性; 外壳的设计； 整体组装及性能测试等 ST-401型探测灵敏单元 （25cm× 25cm× 2cm;表面8个光纤槽 ） 规范光纤研磨工艺； 检验探测灵敏单元之间的一致性; 外壳的设计； 整体组装及性能测试等

单个探测灵敏单元上测试光纤束（4根）的不一致性小于2.4%； 近200块ST-401型探测灵敏单元的不一致性约为10%； 光电倍增管 电源系统 单根光纤之间的不一致性小于7%； 单个探测灵敏单元上测试光纤束（4根）的不一致性小于2.4%； 近200块ST-401型探测灵敏单元的不一致性约为10%； 单粒子测试时，探测灵敏单元平均光电子数超过20p.e.。

ED样机的性能测试 山东大学合作组承担ED整体性能扫描任务 选择单muon入射事例的实验结果： 不同位置的不一致性约为10%； 平均收集光电子数为20； 幅度分辨率小于23%； 时间分辨：2.0ns； 探测效率超过95%。 上述结果表明ED基本达到实验指标要求。

原型/定型阵列实验进展 ED原型样机阵列实验与ARGO-YBJ实验的复合运行：2010.10 — 2012. 11。 触发方式：42选5，事例率约为45Hz，数据量：1.5GB/day。 与ARGO数据的符合成功率达到95%，实验结果得到ARGO-YBJ实验结果的检验，也证实了KM2A阵列设计的可靠性。

探测器运行的长期稳定性 利用KM2A-ED原型样机阵列实验近两年的数据得到的月影结果（显著性达到5.8σ）

定型阵列实验的筹备与进展 羊八井站区，建设时间为今年5、6月份。阵列规模：42个ED和2个MD。总的覆盖面积约为82.5m×78m。 ARGO Hall KM2A Array （1）新ED性能的检验； （2）基于以太网的亚纳秒精度定时分布系统的使用与检验； （3）新的电子学系统和DAQ系统的检验； （4）探测器阵列的标定和数据分析工作等

总结与展望 （1）ED定型工作进入完善设计阶段，其性能指标基本满足实验要求。 （2）定型阵列实验正在积极准备，探测器、电子学和数据采集系统将得到全面检验。 （3）定型阵列实验的运行和数据处理将为LHAASO-KM2A初步设计报告的完善提供好的依据。

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