LHAASO-WCDA 项目工作进展 陈明君 2016-8-24 中国物理学会高能物理分会第十二届全国粒子物理学术会 安徽·合肥
报告内容 方案介绍 项目进展 工作计划
LHAASO Large High Altitude Air Shower Observatory. 中文名称：高海拔宇宙线观测站 电磁粒子探测器阵列 缪子探测器阵列 水切伦科夫探测器阵列 广角切伦科夫望远镜 LHAASO观测基地 站址:四川-稻城-海子山，海拔4400m，2921’30.7”N, 10008’14.7”E
WCDA - Water Cherenkov Detector Array 水切伦科夫探测器阵列 总占地 78,000 m2 ； 有效水深 4 m； 3000 个探测单元 (5 m×5 m)； 每个单元一支PMT (D = 8/9 inch)； 单元之间利用黑色帘布光隔离。 记录宇宙线引起的簇射：、e±、 ± 产生的切伦科夫光；
物理目标 甚高能伽马射线巡天扫描 (100GeV~30TeV) 宇宙线物理 (1TeV~10PeV) 其他 伽马暴甚高能辐射； 河内源； 河外源以及耀变源； 伽马暴甚高能辐射； 河内源； 弥散源. 宇宙线物理 (1TeV~10PeV) 宇宙线各向异性； 能谱测量； 强相互作用模型. 其他 暗物质伽马辐射； 太阳风暴. 2019/5/11
性能优势 全天候： 大视场： 低阈能： 高角分辨： 较强的质子伽玛区分能力： 占空比（duty cycle）：100%，而IACT只有10%； 对一个稳定源来说：每天都观测25%，而IACT一年平均下来不到2.5%； 可以监测时变源的流强变化。 大视场： 4/6，而IACT视场角小于5； 如果IACT同时只能瞄准1个源，WCDA可以瞄准250个源； 可以探寻未知耀变源（包括GRB）； 可以观测扩展源。 低阈能： 高海拔的优势之一； >400 m2 @ 100 GeV（同时保证好的角分辨和质子伽玛区分）； 低能段和Fermi-LAT相衔接。 高角分辨： 因为水契仑柯夫对更接近簇射前锋面的高能电磁成分更敏感。 较强的质子伽玛区分能力： Q >3 @ 1 TeV，>12 @ 5 TeV； 因为强子簇射容易形成次芯（能流或子），水契仑柯夫对次芯更敏感。
性能指标 2019/5/11 指标 数值 总面积 78,000m2 总单元数 3,000 阵列指向精度 <0.1 角分辨 <0.4（2 TeV） 单元面积 25 m2 有效水深 4 m 水衰减长度 > 15 m (400 nm) 电荷分辨 40% @ 1 PE 5% @ 4000 PEs 电荷标定精度 <2% 时间标定精度 <0.2 ns 2019/5/11
灵敏度 积分灵敏度 0.01crab@2TeV 2019/5/11
探测器组成 九个单元 九个单元 FEE FEE 时钟系统 FEE FEE 九个单元 九个单元 高压系统 DAQ系统 & 在站数据存储 LED时间刻度系统 环境监测系统 水循环和净化系统 水质监测设备 3000个单元
光电倍增管PMT 较大的接收光面积 单光电子分辨 大动态范围 高时间性能 低噪声率 8寸/9寸的PMT 峰谷比大于2 阳极打拿极双读出 TTS较小，上升时间较短 噪声率较小 候选管型： 日本滨松R5912 北京滨松CR365 海南展创XP1805 推进PMT国产化工作： 北京滨松，全套引进日本滨松R5912生产技术，已经完成3个批量规模试制； 海南展创，自去年以来已生产100只量级以上XP1805，性能逐渐稳定达标； 北方夜视，正在大力推进20寸MCP-PMT性能改进，基本满足要求。 2019/5/11
前端电子学 单路PMT计数率约50KHz； PMT输出阳极打拿极两路信号，一个电子学板接收9个PMT信号； 设计需求 电子学指标 时间测量分辨率（Bin） <1 ns 时间测量精度（RMS） <0.5 ns 时间测量动态范围 2000ns 电荷测量动态范围 S.PE4000 PE 电荷测量精度 30%@S.PE，3%@4000 PE 通道数 3000 单路PMT计数率约50KHz； PMT输出阳极打拿极两路信号，一个电子学板接收9个PMT信号； 采用无触发(triggerless)模式取数； 前端电子学系统进行电荷、时间测量； 电荷测量 / ADC : RC2成形，FPGA寻峰； 时间测量 / TDC : 前沿甄别，精度<0.5ns. 2019/5/11
电荷刻度系统 SPE spectrum 3rd u-peak position 电荷刻度，两个固定电荷点： 低量程 Single photon-electron 高量程 3rd u-peak SPE spectrum 3rd u-peak position
时间刻度系统 通过分发的LED+光纤束，对各通道的时间差实时刻度 LED flash frequency: <10Hz
水质保持 水净化系统 水循环 主要污染源 TOC/DOC 其他污染源 上回水，下供水； 循环速度：1体积/30天。 UV 185 + 0.22μm 其他污染源 工业处理方式。 水循环 上回水，下供水； 循环速度：1体积/30天。 2019/5/11
时钟分配与数据传输 基于以太网标准的亚纳秒时钟同步技术White Rabbit 采用树状网络拓扑和多层级联结构，需38台WR交换机； 每块电子学板有Cute-WR节点与WR交换机通过光纤连接； 可将将外参考的全局原子钟频率标准和GPS时间标准分布至每个 探测器单元节点，并负责传输节点数据。 1km范围内， <200ps的同步精度； 2019/5/11
数据获取处理系统 实现数据读出、在线数据处理和存储。 触发前数据量为1.8GB/s，触发后数据量约为300MB/s，年数据量为12PB。 基于ATLAS TDAQ 软件框架的数据获取方案 2019/5/11
慢控制系统 监测环境参量； 监控PMT高压; 水质测量。 2019/5/11
相关预研工作简介 2008年-2010年，单元模型实验 2009年-2013年，九单元阵列模型实验 2014年-now，WR时钟网络的小阵列验证 目前, 已经完成了一些关键技术评审工作： 前端电子学的定型评审 PMT防水封装初设评审 时间刻度系统的可研评审
工作安排、计划 项目内容 承担单位 PMT分压器设计及批量测试 中科大近代物理系 前端电子学系统 时钟分配与数据传输系统 清华工物系 慢控制系统 中科院空间中心 其它： 刻度系统、数据获取、 机械、通用、基建、 探测器安装调试等 中科院高能所 2017.12 开始第一个水池的安装调试工作 2018.8 第一个水池调试完成，开始运行 2020年底 完成建设任务
总结 甚高能伽玛天文的发展，需要全天候、大视场的探测器； WCDA是目前唯一可实现的、高灵敏度的、满足巡天条件的探测手段； 我们经过多年的预研工作，探测器方案基本定型。 明年开始，将进入工程实施阶段。
Thank you all.
Backup
VHE -astronomy: Two Techniques IACTs: H.E.S.S., VERITAS, MAGIC, … Good angular resolution (~0.1); Fair background rejection power; Short duty cycle (~10%); Narrow FOV (<5); Low energy threshold (~100 GeV); Mainly focused on deep observation. Ground particle array: AS, ARGO-YBJ, Milagro, HAWC, … Not-so-good angular resolution (~0.5); Poor background rejection power (but much elaborated in water Cherenkov); Full duty cycle (>95%，~10 IACT); Wide FOV（>2/3，~150 IACT); High energy threshold improved by construction at high altitude (~1 TeV); Good at sky survey, extended sources and flares.
Unknown TeV Sources Kifune’s plot: new detectors on TeV Gamma rays are awaited to keep the discovery pace. The LHAASO detectors will do help. Can the number of sources climb to ~1000 by 2020?
WCDA project--触发模式 Noise trigger 依赖于簇射芯位距阵列中心的距离（R）： 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 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。