大亞灣中心探測器設計課件

曹俊中國科學院高能物理所核探測技術與核電子學重點實驗室年會,2009-4-21大亞灣中微子實驗

中心探測器的物理設計曹俊中國科學院高能物理所大亞灣中微子實驗實驗整體方案總共有8個中心探測器，位于三個實驗大廳：兩個近點探測器分別測量兩組反應堆，各放置2個中心探測器模塊遠點探測器位于振蕩極大點2公里處，放置4個中心探測器模塊8個模塊全同（遠近相對測量抵消誤差）360m

500m

1900m

1500m

實驗整體方案總共有8個中心探測器，360m500m190RPC地下實驗大廳WaterCherenkovAntineutrinodetector20tGd-LSGammaCatcherOilBufferReflectivepanelRPCRPC地下實驗大廳WaterCherenkovAntine反應堆中微子能譜與事例率Peakat~4MeV反衰變反應：90/天/模塊640/天/模塊650/天/模塊每模塊20噸靶質(zhì)量反應堆中微子能譜與事例率Peakat~4MeV反衰變反應堆中微子振蕩大亞灣實驗的物理目標是測量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)（比無振蕩預期值）減少；2）能譜變形對能譜平均后，近點減少~0.2sin2213，遠點減少~0.8sin2213。如果sin2213=0.01，只用總數(shù)，需要觀測到0.6%的減少。對大亞灣實驗的規(guī)模，總數(shù)與能譜同樣重要。反應堆中微子振蕩大亞灣實驗的物理目標是測量sin2213到中微子事例信號：能量CaptureonHorGd,

Delayedsignal,2.2,8MeVPromptsignal閾值1.8MeV對應可觀測能量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：能量CaptureonHorGd,

中微子事例信號：符合時間快慢信號符合可以極大地去除偶然符合本底。天然放射性設計值100Hz，遠點中微子事例0.001Hz符合時間窗可取為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間，~30微秒俘獲時間的上升沿放大圖中微子事例信號：符合時間快慢信號符合可以極大地去除偶然符合本時間判選Inefficiecyinefficiencyinefficiency0.1%Gd(μs)(μs)>200scut:Ineff.=1.7%>100scut:Ineff.=6.5%<1scut:Ineff.=0.24%<2scut:Ineff.=1%Inefficiency較大，事例時間不準可能會帶來一點誤差時間判選Inefficiecyinefficiencyine系統(tǒng)誤差精確測量13的關鍵是控制系統(tǒng)誤差遠點三年數(shù)據(jù)統(tǒng)計誤差為0.2%（20噸靶質(zhì)量/模塊）系統(tǒng)誤差主要來自反應堆、探測器系統(tǒng)誤差、本底減除反應堆誤差~0.1%本底減除誤差0.1-0.3%探測器系統(tǒng)誤差靶質(zhì)量誤差0.2-0.3%能量判選誤差0.2-0.3%時間判選誤差<0.1%降低探測效率誤差如有可能，盡量減少inefficiency否則，降低判選誤差確定靶質(zhì)量系統(tǒng)誤差精確測量13的關鍵是控制系統(tǒng)誤差確定靶質(zhì)量中心探測器結(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中心探測器結(jié)構(gòu)三層結(jié)構(gòu)的同心圓柱體3.1macrylic液閃探測反應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液閃探測反應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，需要做頂點判選去除放射性本底需要高的頂點重建精度，更多的PMT頂點擬合帶來的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效率，減少誤差由于cut處相對平滑，能量精度影響并不大II6MeV判選誤差（假定1%能量標度誤差）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效率，減少誤差II6MeV判選誤差（屏蔽層礦物油（白油）~50cm不閃爍，使光源遠離PMT屏蔽PMT玻璃、鋼罐的放射性

，，材料兼容性好IIIPMT表面到液閃應至少>15cm屏蔽層礦物油（白油）~50cmIIIPMT表面到液閃應至少>反射板探測器內(nèi)上下采用反射板，是大亞灣實驗的創(chuàng)新設計。減少PMT約40%（需要覆蓋的面積91m255m2）機械結(jié)構(gòu)更簡單z向能量響應更均勻ESR反射膜~99%鏡反射率反射板探測器內(nèi)上下采用反射板，是大亞灣實驗的創(chuàng)新設計。本底9Li/8He（關聯(lián)本底）-ncascade,Prompt:,Delayed:n“快中子”本底（關聯(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之后反符合較長時間，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量中子中心探測器接受面積約15m2宇宙線子最小離子化200MeV/mShower1000PMT光電子數(shù)液閃光產(chǎn)額~1萬光子/MeV，中心探測器~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，每個探測器192PMTs，平均0.6p.e./PMT需要很好的單光電子探測能力。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~1萬光子/MeV，中心探測器~1Muon事例PMT光電子數(shù)Fullrange0-1000p.e.對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光電子時間分布光子到達PMT表面的時間=液閃發(fā)光時間+飛行時間（光源到PMTs距離，直接光與反射光）PMT光電子時間分布以第一個hit為T0（正電子事例）1020304050607080(ns)光電子時間分布光子到達PMT表面的時間=液閃發(fā)光時間+飛行時電子學要求電子學要求曹俊中國科學院高能物理所核探測技術與核電子學重點實驗室年會,2009-4-21大亞灣中微子實驗

中心探測器的物理設計曹俊中國科學院高能物理所大亞灣中微子實驗實驗整體方案總共有8個中心探測器，位于三個實驗大廳：兩個近點探測器分別測量兩組反應堆，各放置2個中心探測器模塊遠點探測器位于振蕩極大點2公里處，放置4個中心探測器模塊8個模塊全同（遠近相對測量抵消誤差）360m

500m

1900m

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實驗整體方案總共有8個中心探測器，360m500m190RPC地下實驗大廳WaterCherenkovAntineutrinodetector20tGd-LSGammaCatcherOilBufferReflectivepanelRPCRPC地下實驗大廳WaterCherenkovAntine反應堆中微子能譜與事例率Peakat~4MeV反衰變反應：90/天/模塊640/天/模塊650/天/模塊每模塊20噸靶質(zhì)量反應堆中微子能譜與事例率Peakat~4MeV反衰變反應堆中微子振蕩大亞灣實驗的物理目標是測量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)（比無振蕩預期值）減少；2）能譜變形對能譜平均后，近點減少~0.2sin2213，遠點減少~0.8sin2213。如果sin2213=0.01，只用總數(shù)，需要觀測到0.6%的減少。對大亞灣實驗的規(guī)模，總數(shù)與能譜同樣重要。反應堆中微子振蕩大亞灣實驗的物理目標是測量sin2213到中微子事例信號：能量CaptureonHorGd,

Delayedsignal,2.2,8MeVPromptsignal閾值1.8MeV對應可觀測能量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：能量CaptureonHorGd,

中微子事例信號：符合時間快慢信號符合可以極大地去除偶然符合本底。天然放射性設計值100Hz，遠點中微子事例0.001Hz符合時間窗可取為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間，~30微秒俘獲時間的上升沿放大圖中微子事例信號：符合時間快慢信號符合可以極大地去除偶然符合本時間判選Inefficiecyinefficiencyinefficiency0.1%Gd(μs)(μs)>200scut:Ineff.=1.7%>100scut:Ineff.=6.5%<1scut:Ineff.=0.24%<2scut:Ineff.=1%Inefficiency較大，事例時間不準可能會帶來一點誤差時間判選Inefficiecyinefficiencyine系統(tǒng)誤差精確測量13的關鍵是控制系統(tǒng)誤差遠點三年數(shù)據(jù)統(tǒng)計誤差為0.2%（20噸靶質(zhì)量/模塊）系統(tǒng)誤差主要來自反應堆、探測器系統(tǒng)誤差、本底減除反應堆誤差~0.1%本底減除誤差0.1-0.3%探測器系統(tǒng)誤差靶質(zhì)量誤差0.2-0.3%能量判選誤差0.2-0.3%時間判選誤差<0.1%降低探測效率誤差如有可能，盡量減少inefficiency否則，降低判選誤差確定靶質(zhì)量系統(tǒng)誤差精確測量13的關鍵是控制系統(tǒng)誤差確定靶質(zhì)量中心探測器結(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中心探測器結(jié)構(gòu)三層結(jié)構(gòu)的同心圓柱體3.1macrylic液閃探測反應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液閃探測反應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，需要做頂點判選去除放射性本底需要高的頂點重建精度，更多的PMT頂點擬合帶來的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效率，減少誤差由于cut處相對平滑，能量精度影響并不大II6MeV判選誤差（假定1%能量標度誤差）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效率，減少誤差II6MeV判選誤差（屏蔽層礦物油（白油）~50cm不閃爍，使光源遠離PMT屏蔽PMT玻璃、鋼罐的放射性

，，材料兼容性好IIIPMT表面到液閃應至少>15cm屏蔽層礦物油（白油）~50cmIIIPMT表面到液閃應至少>反射板探測器內(nèi)上下采用反射板，是大亞灣實驗的創(chuàng)新設計。減少PMT約40%（需要覆蓋的面積91m255m2）機械結(jié)構(gòu)更簡單z向能量響應更均勻ESR反射膜~99%鏡反射率反射板探測器內(nèi)上下采用反射板，是大亞灣實驗的創(chuàng)新設計。本底9Li/8He（關聯(lián)本底）-ncascade,Prompt:,Delayed:n“快中子”本底（關聯(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（關聯(lián)本底）來源：宇宙線，天然放射性宇宙線子