水基切伦科夫μ子探测器的研究 徐杰谌 俞熹.

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1 水基切伦科夫μ子探测器的研究 徐杰谌 俞熹

2 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

3 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

4 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.

5 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

6 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

7 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

8 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.

9 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

10 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

11 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

12 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

13 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

14 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

15 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

16 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

17 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, (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

18 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

19 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

20 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

21 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.

22 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

23 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

24 谢谢！