大亞灣中心探測(cè)器設(shè)計(jì)課件

曹俊中國(guó)科學(xué)院高能物理所核探測(cè)技術(shù)與核電子學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室年會(huì),2009-4-21大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)

中心探測(cè)器的物理設(shè)計(jì)曹俊中國(guó)科學(xué)院高能物理所大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)整體方案總共有8個(gè)中心探測(cè)器，位于三個(gè)實(shí)驗(yàn)大廳：兩個(gè)近點(diǎn)探測(cè)器分別測(cè)量?jī)山M反應(yīng)堆，各放置2個(gè)中心探測(cè)器模塊遠(yuǎn)點(diǎn)探測(cè)器位于振蕩極大點(diǎn)2公里處，放置4個(gè)中心探測(cè)器模塊8個(gè)模塊全同（遠(yuǎn)近相對(duì)測(cè)量抵消誤差）360m

500m

1900m

1500m

實(shí)驗(yàn)整體方案總共有8個(gè)中心探測(cè)器，360m500m190RPC地下實(shí)驗(yàn)大廳WaterCherenkovAntineutrinodetector20tGd-LSGammaCatcherOilBufferReflectivepanelRPCRPC地下實(shí)驗(yàn)大廳WaterCherenkovAntine反應(yīng)堆中微子能譜與事例率Peakat~4MeV反衰變反應(yīng)：90/天/模塊640/天/模塊650/天/模塊每模塊20噸靶質(zhì)量反應(yīng)堆中微子能譜與事例率Peakat~4MeV反衰變反應(yīng)堆中微子振蕩大亞灣實(shí)驗(yàn)的物理目標(biāo)是測(cè)量sin2213到0.01（90%C.L.）假定sin2213=0.1,E=4MeV如果發(fā)生振蕩：1）事例總數(shù)（比無(wú)振蕩預(yù)期值）減少；2）能譜變形對(duì)能譜平均后，近點(diǎn)減少~0.2sin2213，遠(yuǎn)點(diǎn)減少~0.8sin2213。如果sin2213=0.01，只用總數(shù)，需要觀測(cè)到0.6%的減少。對(duì)大亞灣實(shí)驗(yàn)的規(guī)模，總數(shù)與能譜同樣重要。反應(yīng)堆中微子振蕩大亞灣實(shí)驗(yàn)的物理目標(biāo)是測(cè)量sin2213到中微子事例信號(hào)：能量CaptureonHorGd,

Delayedsignal,2.2,8MeVPromptsignal閾值1.8MeV對(duì)應(yīng)可觀測(cè)能量1.022MeV正電子能譜就是中微子能譜平移0.8MeVCaptureonHCaptureonGd中微子事例信號(hào)：能量CaptureonHorGd,

中微子事例信號(hào)：符合時(shí)間快慢信號(hào)符合可以極大地去除偶然符合本底。天然放射性設(shè)計(jì)值100Hz，遠(yuǎn)點(diǎn)中微子事例0.001Hz符合時(shí)間窗可取為1-200微秒在10-150微秒內(nèi)可用指數(shù)函數(shù)很好地描述。中子在釓上的俘獲時(shí)間，~30微秒俘獲時(shí)間的上升沿放大圖中微子事例信號(hào)：符合時(shí)間快慢信號(hào)符合可以極大地去除偶然符合本時(shí)間判選Inefficiecyinefficiencyinefficiency0.1%Gd(μs)(μs)>200scut:Ineff.=1.7%>100scut:Ineff.=6.5%<1scut:Ineff.=0.24%<2scut:Ineff.=1%Inefficiency較大，事例時(shí)間不準(zhǔn)可能會(huì)帶來一點(diǎn)誤差時(shí)間判選Inefficiecyinefficiencyine系統(tǒng)誤差精確測(cè)量13的關(guān)鍵是控制系統(tǒng)誤差遠(yuǎn)點(diǎn)三年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)誤差為0.2%（20噸靶質(zhì)量/模塊）系統(tǒng)誤差主要來自反應(yīng)堆、探測(cè)器系統(tǒng)誤差、本底減除反應(yīng)堆誤差~0.1%本底減除誤差0.1-0.3%探測(cè)器系統(tǒng)誤差靶質(zhì)量誤差0.2-0.3%能量判選誤差0.2-0.3%時(shí)間判選誤差<0.1%降低探測(cè)效率誤差如有可能，盡量減少inefficiency否則，降低判選誤差確定靶質(zhì)量系統(tǒng)誤差精確測(cè)量13的關(guān)鍵是控制系統(tǒng)誤差確定靶質(zhì)量中心探測(cè)器結(jié)構(gòu)三層結(jié)構(gòu)的同心圓柱體靶層:20ton(0.1%GdLAB-basedLS)集能層:20ton(LAB-basedLS)屏蔽層:40ton(mineraloil)192個(gè)低本底8-in光電倍增管上下加反射板3.1macrylictankPMT4.0macrylictankSteeltankCalibrationsystem20-tGd-LSLiquidScint.Mineraloil~12%/E1/25m5m中心探測(cè)器結(jié)構(gòu)三層結(jié)構(gòu)的同心圓柱體3.1macrylic液閃探測(cè)反應(yīng)堆中微子中微子中子正電子白油液閃摻釓液閃可見光光子MeV伽馬平均自由程~20cm液閃探測(cè)反應(yīng)堆中微子中微子中子正電子白油液閃摻釓液閃為什么要三層結(jié)構(gòu)?白油屏蔽層減少天然放射性本底不銹鋼外罐、PMT玻璃等50cm能減少20倍。如果不加屏蔽層，需要做頂點(diǎn)判選去除放射性本底需要高的頂點(diǎn)重建精度，更多的PMT頂點(diǎn)擬合帶來的fiducialvolume誤差大，且不易確定普通液閃層減少伽馬能量泄露，減少Inefficiency，減少能量判選誤差CaptureonHCaptureonGd為什么要三層結(jié)構(gòu)?白油屏蔽層減少天然放射性本底Captur集能層厚度提高中子探測(cè)效率，減少誤差由于cut處相對(duì)平滑，能量精度影響并不大II6MeV判選誤差（假定1%能量標(biāo)度誤差）42.5cm42.5cmInefficiency9%0cm(換成靶物質(zhì)）Inefficiency25%20ton40ton我們能夠容忍的極限集能層厚度提高中子探測(cè)效率，減少誤差I(lǐng)I6MeV判選誤差（屏蔽層礦物油（白油）~50cm不閃爍，使光源遠(yuǎn)離PMT屏蔽PMT玻璃、鋼罐的放射性

，，材料兼容性好IIIPMT表面到液閃應(yīng)至少>15cm屏蔽層礦物油（白油）~50cmIIIPMT表面到液閃應(yīng)至少>反射板探測(cè)器內(nèi)上下采用反射板，是大亞灣實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。減少PMT約40%（需要覆蓋的面積91m255m2）機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單z向能量響應(yīng)更均勻ESR反射膜~99%鏡反射率反射板探測(cè)器內(nèi)上下采用反射板，是大亞灣實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。本底9Li/8He（關(guān)聯(lián)本底）-ncascade,Prompt:,Delayed:n“快中子”本底（關(guān)聯(lián)本底）Energeticneutronsproducedbymuon,Prompt:recoilproton,Delayed:thermalizedneutronNeutronemissionbymuoncaptureonC,O偶然符合本底Positron-likesignal(Singles,<100Hz)Naturalradioactivity(PMT,Rock,SteelVessel,LS,…<50Hz)Muon,cosmogenicisotopes,etcNeutron-likesignal(<200/day)Singleneutrons:MuonneutronsingleneutronindetectorLonglivedisotopes(e.g.12B/12N)Othereventsin6-10MeV(e.g.Michel’selectron,muon,etc)來源：宇宙線，天然放射性本底9Li/8He（關(guān)聯(lián)本底）來源：宇宙線，天然放射性宇宙線子最小離子化200MeV/m大亞灣~3%Showermuon.Showermuon能產(chǎn)生大量的中子與長(zhǎng)壽命同位素（占總數(shù)的50-80%），因此希望在Shower之后反符合較長(zhǎng)時(shí)間，需要能夠區(qū)分最小離子化muon和Showermuon.Shower1000MeV平均600p.e./PMT（假定PMT響應(yīng)線性的話）Muon產(chǎn)生散裂中子是天然的刻度源，需要很快回到基線測(cè)量中子中心探測(cè)器接受面積約15m2宇宙線子最小離子化200MeV/mShower1000PMT光電子數(shù)液閃光產(chǎn)額~1萬(wàn)光子/MeV，中心探測(cè)器~120p.e./MeV液閃衰減至60%，12%接受面積，20%PMT量子效率，80%PMT光電子收集效率中微子事例閾值1MeV，每個(gè)探測(cè)器192PMTs，平均0.6p.e./PMT需要很好的單光電子探測(cè)能力。8MeV中子各PMT看到的最大p.e.數(shù)Finerange0-200p.e.PMT光電子數(shù)液閃光產(chǎn)額~1萬(wàn)光子/MeV，中心探測(cè)器~1Muon事例PMT光電子數(shù)Fullrange0-1000p.e.對(duì)showermuon與最小離子化muon的分界線1000MeV，平均600p.e./PMT。Muon事例PMT光電子數(shù)Fullrange0-100光電子時(shí)間分布光子到達(dá)PMT表面的時(shí)間=液閃發(fā)光時(shí)間+飛行時(shí)間（光源到PMTs距離，直接光與反射光）PMT光電子時(shí)間分布以第一個(gè)hit為T0（正電子事例）1020304050607080(ns)光電子時(shí)間分布光子到達(dá)PMT表面的時(shí)間=液閃發(fā)光時(shí)間+飛行時(shí)電子學(xué)要求電子學(xué)要求曹俊中國(guó)科學(xué)院高能物理所核探測(cè)技術(shù)與核電子學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室年會(huì),2009-4-21大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)

中心探測(cè)器的物理設(shè)計(jì)曹俊中國(guó)科學(xué)院高能物理所大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)整體方案總共有8個(gè)中心探測(cè)器，位于三個(gè)實(shí)驗(yàn)大廳：兩個(gè)近點(diǎn)探測(cè)器分別測(cè)量?jī)山M反應(yīng)堆，各放置2個(gè)中心探測(cè)器模塊遠(yuǎn)點(diǎn)探測(cè)器位于振蕩極大點(diǎn)2公里處，放置4個(gè)中心探測(cè)器模塊8個(gè)模塊全同（遠(yuǎn)近相對(duì)測(cè)量抵消誤差）360m

500m

1900m

1500m

實(shí)驗(yàn)整體方案總共有8個(gè)中心探測(cè)器，360m500m190RPC地下實(shí)驗(yàn)大廳WaterCherenkovAntineutrinodetector20tGd-LSGammaCatcherOilBufferReflectivepanelRPCRPC地下實(shí)驗(yàn)大廳WaterCherenkovAntine反應(yīng)堆中微子能譜與事例率Peakat~4MeV反衰變反應(yīng)：90/天/模塊640/天/模塊650/天/模塊每模塊20噸靶質(zhì)量反應(yīng)堆中微子能譜與事例率Peakat~4MeV反衰變反應(yīng)堆中微子振蕩大亞灣實(shí)驗(yàn)的物理目標(biāo)是測(cè)量sin2213到0.01（90%C.L.）假定sin2213=0.1,E=4MeV如果發(fā)生振蕩：1）事例總數(shù)（比無(wú)振蕩預(yù)期值）減少；2）能譜變形對(duì)能譜平均后，近點(diǎn)減少~0.2sin2213，遠(yuǎn)點(diǎn)減少~0.8sin2213。如果sin2213=0.01，只用總數(shù)，需要觀測(cè)到0.6%的減少。對(duì)大亞灣實(shí)驗(yàn)的規(guī)模，總數(shù)與能譜同樣重要。反應(yīng)堆中微子振蕩大亞灣實(shí)驗(yàn)的物理目標(biāo)是測(cè)量sin2213到中微子事例信號(hào)：能量CaptureonHorGd,

Delayedsignal,2.2,8MeVPromptsignal閾值1.8MeV對(duì)應(yīng)可觀測(cè)能量1.022MeV正電子能譜就是中微子能譜平移0.8MeVCaptureonHCaptureonGd中微子事例信號(hào)：能量CaptureonHorGd,

中微子事例信號(hào)：符合時(shí)間快慢信號(hào)符合可以極大地去除偶然符合本底。天然放射性設(shè)計(jì)值100Hz，遠(yuǎn)點(diǎn)中微子事例0.001Hz符合時(shí)間窗可取為1-200微秒在10-150微秒內(nèi)可用指數(shù)函數(shù)很好地描述。中子在釓上的俘獲時(shí)間，~30微秒俘獲時(shí)間的上升沿放大圖中微子事例信號(hào)：符合時(shí)間快慢信號(hào)符合可以極大地去除偶然符合本時(shí)間判選Inefficiecyinefficiencyinefficiency0.1%Gd(μs)(μs)>200scut:Ineff.=1.7%>100scut:Ineff.=6.5%<1scut:Ineff.=0.24%<2scut:Ineff.=1%Inefficiency較大，事例時(shí)間不準(zhǔn)可能會(huì)帶來一點(diǎn)誤差時(shí)間判選Inefficiecyinefficiencyine系統(tǒng)誤差精確測(cè)量13的關(guān)鍵是控制系統(tǒng)誤差遠(yuǎn)點(diǎn)三年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)誤差為0.2%（20噸靶質(zhì)量/模塊）系統(tǒng)誤差主要來自反應(yīng)堆、探測(cè)器系統(tǒng)誤差、本底減除反應(yīng)堆誤差~0.1%本底減除誤差0.1-0.3%探測(cè)器系統(tǒng)誤差靶質(zhì)量誤差0.2-0.3%能量判選誤差0.2-0.3%時(shí)間判選誤差<0.1%降低探測(cè)效率誤差如有可能，盡量減少inefficiency否則，降低判選誤差確定靶質(zhì)量系統(tǒng)誤差精確測(cè)量13的關(guān)鍵是控制系統(tǒng)誤差確定靶質(zhì)量中心探測(cè)器結(jié)構(gòu)三層結(jié)構(gòu)的同心圓柱體靶層:20ton(0.1%GdLAB-basedLS)集能層:20ton(LAB-basedLS)屏蔽層:40ton(mineraloil)192個(gè)低本底8-in光電倍增管上下加反射板3.1macrylictankPMT4.0macrylictankSteeltankCalibrationsystem20-tGd-LSLiquidScint.Mineraloil~12%/E1/25m5m中心探測(cè)器結(jié)構(gòu)三層結(jié)構(gòu)的同心圓柱體3.1macrylic液閃探測(cè)反應(yīng)堆中微子中微子中子正電子白油液閃摻釓液閃可見光光子MeV伽馬平均自由程~20cm液閃探測(cè)反應(yīng)堆中微子中微子中子正電子白油液閃摻釓液閃為什么要三層結(jié)構(gòu)?白油屏蔽層減少天然放射性本底不銹鋼外罐、PMT玻璃等50cm能減少20倍。如果不加屏蔽層，需要做頂點(diǎn)判選去除放射性本底需要高的頂點(diǎn)重建精度，更多的PMT頂點(diǎn)擬合帶來的fiducialvolume誤差大，且不易確定普通液閃層減少伽馬能量泄露，減少Inefficiency，減少能量判選誤差CaptureonHCaptureonGd為什么要三層結(jié)構(gòu)?白油屏蔽層減少天然放射性本底Captur集能層厚度提高中子探測(cè)效率，減少誤差由于cut處相對(duì)平滑，能量精度影響并不大II6MeV判選誤差（假定1%能量標(biāo)度誤差）42.5cm42.5cmInefficiency9%0cm(換成靶物質(zhì)）Inefficiency25%20ton40ton我們能夠容忍的極限集能層厚度提高中子探測(cè)效率，減少誤差I(lǐng)I6MeV判選誤差（屏蔽層礦物油（白油）~50cm不閃爍，使光源遠(yuǎn)離PMT屏蔽PMT玻璃、鋼罐的放射性

，，材料兼容性好IIIPMT表面到液閃應(yīng)至少>15cm屏蔽層礦物油（白油）~50cmIIIPMT表面到液閃應(yīng)至少>反射板探測(cè)器內(nèi)上下采用反射板，是大亞灣實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。減少PMT約40%（需要覆蓋的面積91m255m2）機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單z向能量響應(yīng)更均勻ESR反射膜~99%鏡反射率反射板探測(cè)器內(nèi)上下采用反射板，是大亞灣實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。本底9Li/8He（關(guān)聯(lián)本底）-ncascade,Prompt:,Delayed:n“快中子”本底（關(guān)聯(lián)本底）Energeticneutronsproducedbymuon,Prompt:recoilproton,Delayed:thermalizedneutronNeutronemissionbymuoncaptureonC,O偶然符合本底Positron-likesignal(Singles,<100Hz)Naturalradioactivity(PMT,Rock,SteelVessel,LS,…<50Hz)Muon,cosmogenicisotopes,etcNeutron-likesignal(<200/day)Singleneutrons:MuonneutronsingleneutronindetectorLonglivedisotopes(e.g.12B/12N)Othereventsin6-10MeV(e.g.Michel’selectron,muon,etc)來源：宇宙線，天然放射性本底9Li/8He（關(guān)聯(lián)本底）來源：宇宙線，天然放射性宇宙線子