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LHAASO-WCDA 项目工作进展 陈明君 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
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报告内容 方案介绍 项目进展 工作计划
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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
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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；
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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
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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； > 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 1 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。
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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 1 PE 4000 PEs 电荷标定精度 <2% 时间标定精度 <0.2 ns 2019/5/11
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灵敏度 积分灵敏度 2019/5/11
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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
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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
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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 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
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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
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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
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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 μm 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
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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
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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
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慢控制系统 监测环境参量； 监控PMT高压; 水质测量。 2019/5/11
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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
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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 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
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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。
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Thank you all.
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Backup
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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.
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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?
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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。
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