水基切伦科夫μ子探测器的研究 徐杰谌 俞熹

主要内容 背景介绍 实验原理 仪器搭建 测量结果 改进方案 总结与展望

背景介绍 高能物理实验 设备结构复杂，成本高 实验条件苛刻 辐射防护复杂 放射性同位素 137Cs、60Co 宇宙射线 K介子、π介子 μ子

μ子的基本特性 电荷：+/- 1 静质量：105.658389 MeV/c2 寿命：2.19703 μsec 无强相互作用 主要来源 宇宙射线：K介子和π介子衰变 辐射强度：~102m-2s-1 能量：>1GeV If charged particle penetrates large amount of absorber with minor energy losses and small angular displacement such particle is considered a muon. D. Denisov. Detection of Muons[R]. Academic Lecture, Fermilab, 2005.

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实验原理 切伦科夫辐射（Cerenkov Radiation） 带电粒子匀速穿过透明介质时，如果其运动速度大于光在介质中的传播速度，将沿圆锥波前发射切伦科夫辐射 条件：cosθ=1/βn（ β=v/c） 本质：瞬时极化→退极辐射→相干叠加 最大辐射角和最小阈动能 光子密度分布 v<c/n v>c/n v<c/n v>c/n

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探测器主体部分结构 1: 蒸馏水, 2: 不锈钢桶身, 3: 铝箔(壁), 4: 固定物, 5: 铝箔(盖), 6: 密封层, 7: 不锈钢桶盖, 8: 光电倍增管, 9: 高压接口, 10: 输出端.

光电倍增管(Photomultiplier Tune) 完全隔绝辐射时仍然能够产生暗电流 产生原因：热发射、欧姆漏电、残余气体电离、场致发射、玻璃壳放电和玻璃荧光等 闪烁体 光导 金属屏蔽 管套

其他附件和工具 光电倍增管的高压电源和放大器 上：数字示波器 下：计算机和插件构成的多道分析器 工具

线路流程示意图 高压电源和放大器 示波器 高压输入 光电倍增管 信号输出 放大后信号输出 计算机和插件构成的多道分析器

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数字示波器波形 高压1400V条件下的本底和输出信号 输出波形上，本底峰有加强→管外漏电所致 除本底外，时域上其他位置有比较明显的小峰，对应着频域上连续的分布 信号强度较弱，难以鉴别，但可以在能谱上显现出来 本底信号 输出信号

高压1488V下的本底信号和输出信号 时域上，非本底峰位置处出现了比本底更强的峰 加鉴别器后信号可以识别，可能是切伦科夫辐射信号 图像获得都是采用单次触发，出现比本底更强峰的概率比较小

观察数字示波器信号获得的结论 光电倍增管浸入水中会增强管外漏电，使得这种机制对于暗电流的贡献增多，本底峰幅度增大 输出信号包含在频谱上连续分布的成分，但强度不是很大，可能是高能μ子匀速穿过蒸馏水时产生的切伦科夫辐射所致 如何证实？→测量能谱

高压1300V（右上）、1400V（右下）条件下的能谱图（已扣除本底），定时1800s 0-20道之间有一个尖峰，再次证明存在管外漏电 20-40道有类似轫致辐射连续谱的部分，这是切伦科夫辐射的贡献 光电管放大倍数和高压成正相关，因此谱线峰位随高压增大略向右移

对于能谱图积分面积的分析 高压1300V、1400V条件下的总计数（总积分面积）分别为17898、18723，平均18310，相当于每秒钟产生10个脉冲 桶盖面积1590cm2 ，μ子辐射强度10-2cm-2s-1，探测器每秒钟可接收到15个μ子 考虑光传输和收集效率，当前配置条件下，每个μ子可以在光阴极产生6个光电子——D. Alexander, K. M. Pathak and M. G. Tompson. Cerenkov loss of energy in water[J]. J. Phys. A (Proc. Phys. Soc.), Vol. 1, Ser. 2, 578-583 (1968). 以上是平均结果，考虑统计涨落，某些μ子的切伦科夫辐射脉冲会很弱，以至于不被多道脉冲分析器记录 考虑损耗因素后实验结果和理论估计相符合 仅考虑20-40道的连续谱部分，高压1300V、1400V条件下的积分面积分别为6753、8373，平均每秒产生4个脉冲 在涨落范围内

高压1450V（右上）、1488V（右下）条件下的能谱图（已扣除本底），定时1800s 谱线有畸变，但可以区分连续谱部分 1450V、1488V谱线总面积分别为18079、17428，连续谱部分面积分别为8828、8164 总计数和连续谱部分脉冲数不随高压增大而变化→切伦科夫辐射

小结 搭建完成的水基切伦科夫μ子探测器具备探测μ子的能力 为进一步验证，可以变化可能导致测得的μ子数目变化的参数，如光收集效率、不锈钢桶的截面积等 精度不是很高，探测器有待进一步改进，以提高光子的传输和收集效率

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陈明君. 中微子水基契伦可夫量能器的研究[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 2006. 改进方案 Tyvek膜 力学和化学稳定性高，漫反射可见光以及紫外线，反射系数高 Winston Cone 聚焦 双闪烁体符合计数 陈明君. 中微子水基契伦可夫量能器的研究[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 2006.

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总结与展望 利用高能μ子在蒸馏水中的切伦科夫辐射效应，搭建了一台具备探测μ子能力的水基切伦科夫探测器 改善光传输、收集效率可以提升探测可靠性和精确度 成本低廉，操作简便，具有广泛的应用前景 与μ子寿命测量相结合，可以发展成为一个完善的高能物理实验

谢谢！