LHAASO-WCDA时间标定 工作进展 LHAASO合作组会 四川 峨眉 2018/03/ /03/24 高博 刘金艳

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1 LHAASO-WCDA时间标定 工作进展 LHAASO合作组会 四川 峨眉 2018/03/22-2018/03/24 高博 刘金艳
高博 刘金艳 2018/11/28 LHAASO合作组会议

2 报告提纲 LHAASO-WCDA简介 标定工作介绍 硬件标定 离线标定 小结以及下一步工作 安装现场标定方案 阵列标定方案 标定系统研制进展
标定思路 模拟以及数据分析 部分结果 小结以及下一步工作 2018/11/28 LHAASO合作组会议

3 LHAASO-WCDA简介 LHAASO-WCDA探测器主要功能： 在100GeV-30TeV实现伽玛源的巡 天观测。
探测器占地面积7,800m2，分成3个 水池。 探测器结构 3120个探测单元 单元大小：5m x 5m 实验要求 阵列指向精度：< 0.1° 时间标定精度：< 0.2 ns 2018/11/28 LHAASO合作组会议

4 时间标定工作介绍 硬件标定 离线标定 标定范围：PMT+电缆+电子学。
在线标定：5-10 Hz，全阵列同时标 定，可以及时发现PMT/电子学工作 情况的变化。 局限性：无法刻度整个探测器（注 水后）的时间偏差。 探测器正常运行初期，对重建后的 簇射数据前锋面进行拟合，得到探 测器单元之间的时间差，再用得到 时间差修正重建数据，进行多次迭 代，使得各探测器单元时间差的残 差分布达到预期精度。 难点：探测器边缘事例的处理。 2018/11/28 LHAASO合作组会议

5 硬件标定工作 2018/11/28 LHAASO合作组会议

6 安装现场PMT标定 标定光源安装 高压调节 示波器信号初步检测 光源初始化以及避光 增益测试 Q-T测试 <T.T.>测试
30 min 60 min 数据检查，日志记录 阈值设定 PMT安装 安装现场PMT标定 现场运行环境以及高压与实验室测量不一致，安装过程中需要 进行现场刻度。 测试项 Gain/Q-T(AD ratio)/<T.T.> 标定硬件 数据获取系统基于CAEN VME/NIM集成测试机箱，实现 “一键化”测试，自动保存测试结果，作为探测器物理 数据修正的基础； 光源系统 多路LED驱动板； 连续衰减光源； 均匀分光光纤束(13套1:6)； 效率 匹配安装速度：18 PMT/天； 6 PMT/批次/2小时，3批次/天； 人力：2-3； PMT线缆封装 2018/11/28 LHAASO合作组会议

7 Fiber “Hat” 20× 2× 控制器 QDCA QDCB TDC 扇入扇出 电平转换 甄别器 混合快放 高压插件 PC 多路LED
ANODE DYNODE 控制器 QDCA QDCB TDC 扇入扇出 电平转换 甄别器 混合快放 高压插件 PC 多路LED 触发板 渐变 光源 1:6 ×1 1:6 ×6 LED 0 LED 1-12 反相器 20× 2×

8 全阵列/在线标定 以cluster(6×6 cells)为单位的交叉标定方案
一个cluster两套标定装置A/B，一套用 于内部标定一套用于相邻cluster之间 的标定，以此串联整个水池； 传递方法 每个水池以中心为0级，共6个级别； 对于一个cluster，只能从等级高于它 的邻近1 或2 个cluster 获得基准时间； 相邻水池通过覆盖水池之间的簇射事 例进行标定。 标定硬件：基于LED、塑料光纤分光束、远 程LED触发系统。 2018/11/28 LHAASO合作组会议

9 标定系统研制 系统构建 设计指标 LED均匀光源 均匀光纤分光束 LED触发系统 标定光强300-500 PE；
分光束均匀度mean±10%； 光纤束裁剪误差40m ± 0.1m； 单套标定装置系统误差 < 0.1ns； 通道时延调整步长5 ns，可以满足整体 阵列在一个较窄的时间窗口内同时得 到标定信号。 2018/11/28 LHAASO合作组会议

10 标定系统测试方案 基于一维步进电机滑台和快速PMT 测试内容 光强输出均匀度 光纤相对时间差 平均光强 平均延迟 测试效率
2.5小时/套，自动测量 光纤束安装、人工拆卸30分钟； ≈18分钟一次循环，6次循环一组； 单光纤每次测量取数 5000 triggers； 第一个水池需用55套光纤，3周内可以完成 全部检测，所有数据作为硬件标定的基准. 已于2017年完成原理样机设计和测试，结果发表在JINST 均匀度±8%以内 2018/11/28 LHAASO合作组会议

11 硬件标定工作进展 安装期标定工作准备 硬件标定系统 完成VME/NIM测试系统的采购，预期5月份中下旬到货；
已完成光源系统以及LED触发板的制作； 机械支撑装置以及分光束正在制作，预期4月中下旬制作完成； 目前已有CR365已供货，4月下旬-5月采用实验室现有设备进行模拟演练。 硬件标定系统 完成关键部件光纤分光束的采购，目前厂家已按期生产完毕，并对样件进行了测试， 测试结果可以满足指标需求，4月初可以全部到货； 测试平台搭建完毕，效率≥4套/天，预计5月中旬可以完成所有光纤分光束的测试； LED远距触发系统样件已制作5套（1/5），结合光纤束完成了部分测试，1/4阵列所需模 块预期5月中下旬制作完成，目前针对样件进行控制程序的优化。 2018/11/28 LHAASO合作组会议

12 离线标定 2018/11/28 LHAASO合作组会议

13 方法思路 对簇射只采用平面拟合，降低复杂度； 对重建事例的选择条件：
独立的 Cluster 6x6 交叉的 刻度4x4 重建10x10 方法思路 对簇射只采用平面拟合，降低复杂度； 对重建事例的选择条件： Nfit >= 10； Chi2/(Nfit-3.)< 5； 采用cluster(6×6 cells)与 “分级传递”思路， 中心cluster为1级，与之相邻的独立cluster为 2级，以此类推； 两者中间的cluster为“交叉”cluster，用于 传递； 对于一个水池 重建10×10，标定中心4×4； 4个4×4合并成一个6×6； 6×6通过传递推广到整个水池； 边界/角落cell再进行单独处理。 模拟事例 2018/11/28 LHAASO合作组会议

14 10×10 cells 标定中心4×4 cells 刻度值与预设值 的线性关系 残差分布（σ≈0.1ns） 2018/11/28
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15 4×4组建6×6 对于0级2×2阵列，计算4个cell的刻 度时间
基准平均值：<T> = Σ(i)Ti/4 4×4阵列平均值：<Tk>= Σ(i)Tik/4 定义δk = <Tk>-<T>，作为阵列k平均 值与0级基准平均值的差值 以此类推计算相邻的1级，计算之前 先减去Ti’k=Tik – δk 再进行合并得到Ti= Σ(k)Ti’k/2 计算0级2×2 （V）中的4个cell在各 个4×4阵列中的刻度时间平均值 Ti = Σ(k)Tik/4 i为0级2×2阵列的cell编号，k为其所在4×4 cell阵列编号 2018/11/28 LHAASO合作组会议

16 阵列标定(以900单元水池说明) 传递规则 边缘cluster处理
1级保持不变，向2级传递； 2级保持不变，向3级传递。3’级只有一次 传递，3级有两次合并； 4级由3级和3’级合并； 5级由4级合并。 边缘cluster处理 存在问题：对于边缘事例，如果按照原来 10×10的处理方法，边缘会缺失一部分cell 的数据。 解决方法： 确保4x4的cell必须有数据，重建中忽略边缘 不存在的cell； 再通过额外修正，修正边界； 2018/11/28 LHAASO合作组会议

17 模拟结果 按照上述方法处理后，可以看出边缘cell的结果不太理想。 残差分布 中心24x24 A：紧靠中心的4个24 B：中间层4个24
D：4个角3x3 按照上述方法处理后，可以看出边缘cell的结果不太理想。 2018/11/28 LHAASO合作组会议

18 模拟结果(加入offset修正后) <σ = 0.5ns> <σ = 1.0ns> 对于模拟数据
利用无offset的残差分布，作为 额外修正项M0； 得出有offset的标定结果tcal， 扣除M0，即tcalnew = tcal-M0， tcalnew为经过修正后的最终结 果。 采用以上方法，在offset分布σ=1.0ns 条件下，可以将时间标定做到0.2 ns 以内水平，达到预期目标。 <σ = 0.5ns> <σ = 1.0ns> 2018/11/28 LHAASO合作组会议

19 报告小结以及下一步工作 硬件标定方面 离线标定方面 下一步工作 标定系统组件的生产、测试工作正稳步进行，保证匹配探测器安装进度；
初步实现了利用低能簇射对1/4水池的时间刻度，研究了边缘单元时间标 定的处理办法，初步结果表明方案可以基本满足标定精度要求。 下一步工作 演练现场模拟标定以及测试方案，确保工程进度； 模拟、数据分析方面 研究全阵列（跨水池）的整体标定 标定方法的验证（模拟源/实验数据） 2018/11/28 LHAASO合作组会议

20 谢谢大家！ 2018/11/28 LHAASO合作组会议

21 Dark Room PC VME QDC VME controller VME TDC Step motor
Multi-channel Pulse generator PC Data acquisition Data processing System control Step motor driver VME controller Mod.v1718 VME QDC Mod.v965 VME TDC Mod.vx1290n USB TTL-NIM converter FAN-IN FAN-OUT Mixed gain Fast amplifier Leading Edge Dis. TH = 1/3 PE Light tube Fiber bundle Test PMT Step motor Rail 10x 2x TTL 2.5v driving LED Dark Room Ref PMT

22 标定精度需求 δθ为角分辨 N为参与拟合的PMT数目，Nmin = 11；
触发面积S=3600 ㎡，一个“trigger cluster“面积 拟合自由度N-2 A为常数系数 重建方向为围绕真实方向的一个二维高斯分 布，选取包络90%信号的角半径为最优角半径 Δθ，Δθ = 2.15·δθ < 0.1°→ δθ < 0.047° 以上，得出δt < 0.13 N = 11 考虑其他因素（电子学精度，标定模式引入的 误差等），加入一个限制因子1/sqrt(2)，尝试 最终精度δt做到 0.1 ns 2018/11/28 LHAASO合作组会议

23 模拟以及数据分析 模拟数据 总事例数 318076 Cell time offset设置
30x30 阵列(1/4阵列) 总事例数 Cell time offset设置 Gaus(0.5,0.5) ns 以10x10为一组进行重建，然后刻度 其中的4x4。 4个4x4为一组，形成一个6x6。 对事例的选择条件： nfit>=10 chi2/(nfit-3.)<5 2018/11/28 LHAASO合作组会议

24 20× 2× 控制器 QDCA QDCB TDC 扇入扇出 电平转换 甄别器 混合快放 高压插件 PC 多路LED 触发板 渐变 光源
ANODE DYNODE 控制器 QDCA QDCB TDC 扇入扇出 电平转换 甄别器 混合快放 高压插件 PC 多路LED 触发板 渐变 光源 1:6 ×1 1:6 ×6 LED 0 LED 1-12 反相器 20× 2×

25 刻度具体流程 Rec + Calib Calibdata Rec + Calib Calib data Calib (cross+
boundary) Calib (4x4 -> 6x6) 6x6 calib data calib data Rec + Calib Calib data Rec + Calib Calib data 利用10x10数据进行刻度 4个4x4数据合并成cluster数据 先交叉标定，再边缘修正 2018/11/28 LHAASO合作组会议

26 模拟结果(无offset) 按列将标定结果取平均值，可以预 期边缘结果偏移较大。
考虑单纯按列或者按行进行一维修 正精度不够，将采用二维修正。 残差分布 中心24x24 A：紧靠中心的4个24 B：中间层4个24 C：外层4个24 D：4个角3x3 2018/11/28 按列分布。 LHAASO合作组会议