探测器原型的物理与测量幻灯片.ppt

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1、第1页，共16页，编辑于2022年，星期六J.Cao 2005-9-12讨论内容讨论内容有些什么物理过程？有些什么物理过程？有些什么物理过程？有些什么物理过程？能够做什么？能够做什么？能够做什么？能够做什么？取哪些数据？取哪些数据？取哪些数据？取哪些数据？现在需要做什么？现在需要做什么？现在需要做什么？现在需要做什么？Back-of-the envelope calculationBack-of-the envelope calculation以下某些数字未经模拟计算，极不准确以下某些数字未经模拟计算，极不准确以下某些数字未经模拟计算，极不准确以下某些数字未经模拟计算，极不准确!第2页，共16

2、页，编辑于2022年，星期六J.Cao 2005-9-13PurposeTestTest LS,energy reconstruction,calibration,reflection,LS,energy reconstruction,calibration,reflection,electronics,electronics,Inner acrylic vessel:1m in diameter and 1m tall,filled with Gd doped liquid scintillator.Outer stainless steel vessel:2m in diameter an

3、d 2m tall,filled with mineral oil.PMTs mount in oil.Sep.14,2004,Yifang at Phone meeting:Sep.14,2004,Yifang at Phone meeting:内罐半径内罐半径内罐半径内罐半径0.450.45米，高米，高米，高米，高1 1米，米，米，米，0.510.51吨吨吨吨（假定（假定（假定（假定0.80.8g/cmg/cm3 3)矿物油层矿物油层矿物油层矿物油层4.84.8吨（假定吨（假定吨（假定吨（假定0.850.85g/cmg/cm3 3)4545PMTPMT，有效覆盖有效覆盖有效覆盖有效覆盖14

4、%14%，150 150 p.e./MeVp.e./MeV，能量精度能量精度能量精度能量精度 10%110%1MeVMeVv v 有效覆盖：有效覆盖：有效覆盖：有效覆盖：45*0.02845*0.028mm2 2/(3.14*1.4m*2m+2*/(3.14*1.4m*2m+2*10%10%*3.14*(0.7m)*3.14*(0.7m)2 2 )第3页，共16页，编辑于2022年，星期六J.Cao 2005-9-14物理过程物理过程刻度过程刻度过程刻度过程刻度过程n nLEDLEDn n放射源放射源天然放射性天然放射性天然放射性天然放射性n nPMTPMT玻璃与环境玻璃与环境n nGd Gd

5、 (3-5MeV)(3-5MeV)n n其中的级联衰变、其中的级联衰变、(,n),n)反应反应 （快慢信号）（快慢信号）宇宙线引起的过程宇宙线引起的过程宇宙线引起的过程宇宙线引起的过程n n 子本身（子本身（shower shower 与与 non-showernon-shower，stopped muonstopped muon）n nMichels electron(muon decay)Michels electron(muon decay)（快慢信号）（快慢信号）n n快中子快中子 （快慢信号）（快慢信号）n n单中子单中子 （8 8MeV)MeV)n n同位素高能（大于同位素高能（大

6、于4 4MeVMeV）的的 衰变衰变n n同位素同位素-neutron-neutron 衰变衰变 （快慢信号）（快慢信号）能够从天然放射性本底中分辨出来的事例：能够从天然放射性本底中分辨出来的事例：能够从天然放射性本底中分辨出来的事例：能够从天然放射性本底中分辨出来的事例：或者或者或者或者能量较高能量较高能量较高能量较高或者或者或者或者有快慢信号符合有快慢信号符合有快慢信号符合有快慢信号符合第4页，共16页，编辑于2022年，星期六J.Cao 2005-9-15LED三个三个三个三个LEDLEDn n直接光：干净（触发信号），频率与光强可控，时间准确直接光：干净（触发信号），频率与光强可控，时

7、间准确n n单光子信号（单光子信号（需要调节光强使每事例有多少个击中？需要调节光强使每事例有多少个击中？）qq如平均如平均1010个击中：泊松分布个击中：泊松分布 0 0pe 80%,1pe 17.8%,2pe 1.97%pe 80%,1pe 17.8%,2pe 1.97%Gain CalibrationGain Calibrationn n单光子峰单光子峰 ADC/p.e.ADC/p.e.Time alignment,PMT time resolutionTime alignment,PMT time resolutionn nCorrected time:tCorrected time:t

8、corrcorr=t=ti i t t0 0 d di i/v t/v ti,offseti,offsetn n击中太少时，击中太少时，t t0 0确定不准；击中太多，双光子或多光子几率太多确定不准；击中太多，双光子或多光子几率太多n nTime slewingTime slewing：大的脉冲过阈早；多光子时间由第一个光子决定。大的脉冲过阈早；多光子时间由第一个光子决定。PMT Efficiency?(Quantum Eff.*First Dynode Eff.)PMT Efficiency?(Quantum Eff.*First Dynode Eff.)n n需要需要光各向同性（或知道分布

9、）光各向同性（或知道分布）同一事例光强对各同一事例光强对各PMTPMT相同相同Attenuation length?Attenuation length?n n同上同上第5页，共16页，编辑于2022年，星期六J.Cao 2005-9-16放射源放射源能量刻度能量刻度能量刻度能量刻度采用哪几种放射源？采用哪几种放射源？采用哪几种放射源？采用哪几种放射源？nn6060Co 1173keV+1332 keVCo 1173keV+1332 keVn nAm-Be Am-Be 中子源中子源,4.4,4.4MeV gammaMeV gamma活度？活度？活度？活度？（取决于本底）（取决于本底）（取决于本

10、底）（取决于本底）2-2-zone 20t,8MeVzone 20t,8MeV叠加到天然放射性上，叠加到天然放射性上，叠加到天然放射性上，叠加到天然放射性上，强度太低，峰位会有偏离强度太低，峰位会有偏离强度太低，峰位会有偏离强度太低，峰位会有偏离第6页，共16页，编辑于2022年，星期六J.Cao 2005-9-17天然放射性天然放射性PMTPMT玻璃的放射性？玻璃的放射性？玻璃的放射性？玻璃的放射性？n nMACROMACRO应该测过应该测过大亚湾实验模拟时假定低本底玻璃大亚湾实验模拟时假定低本底玻璃大亚湾实验模拟时假定低本底玻璃大亚湾实验模拟时假定低本底玻璃238238U,U,232232

11、Th,Th,4040KK为为为为50,50,1050,50,10ppbppb假定这里为假定这里为假定这里为假定这里为1,1,11,1,1ppmppm，4545个个个个PMTPMT的放射性为的放射性为的放射性为的放射性为(scaled from DYB simulation)scaled from DYB simulation)U:U:11 Hz11 Hz(1MeV)(1MeV)Th:Th:4 Hz4 Hz(1MeV)(1MeV)K:K:37 Hz37 Hz(1MeV)(1MeV)Cut 0.5MeVCut 0.5MeV，rates double!rates double!环境放射性未知环境放射

12、性未知环境放射性未知环境放射性未知第7页，共16页，编辑于2022年，星期六J.Cao 2005-9-18Gd 放射性放射性PMTPMT玻璃只考虑了玻璃只考虑了玻璃只考虑了玻璃只考虑了gammagamma射线（穿透力比射线（穿透力比射线（穿透力比射线（穿透力比betabeta强）强）强）强）n n一般小于一般小于3 3MeVMeV，极少能到极少能到4 4MeVMeV液闪中液闪中液闪中液闪中beta+gammabeta+gamma，有高于有高于有高于有高于4 4MeVMeV的贡献的贡献的贡献的贡献(ThTh系中系中系中系中208208Tl)Tl)GdGd样品中的样品中的样品中的样品中的23223

13、2ThTh（第一次测量）第一次测量）第一次测量）第一次测量）:0.177:0.177 Bq/kg Bq/kg 0.1Bq/0.510.1Bq/0.51吨吨吨吨 0.1 0.1 Hz Hz 208208TlTl208208TlTlWen LiangJianWen LiangJianChoozChooz第8页，共16页，编辑于2022年，星期六J.Cao 2005-9-19级联衰变级联衰变ThTh系：系：系：系：212212BiBi212212PoPo208208Pb delay 0.3 microsecPb delay 0.3 microsecU U系：系：系：系：214214BiBi21421

14、4PoPo210210Pb delay 164 microsecPb delay 164 microsec估计液闪中估计液闪中估计液闪中估计液闪中U,ThU,Th的含量？的含量？的含量？的含量？粒子粒子粒子粒子 quenching effect 13 quenching effect 13 延迟信号能量太低延迟信号能量太低延迟信号能量太低延迟信号能量太低 0.6 0.6MeVMeV第9页，共16页，编辑于2022年，星期六J.Cao 2005-9-110(,n)反应反应1313C+C+n+n+1616O O (KamLAND(KamLAND RnRn导致液闪中导致液闪中导致液闪中导致液闪中21

15、0210PoPo富集，产生富集，产生富集，产生富集，产生)KamLANDKamLAND，149149天，天，天，天，210210Po 30BqPo 30Bq，8 8个本底个本底个本底个本底(2.6(2.6MeV)MeV)我们有可能因为我们有可能因为我们有可能因为我们有可能因为GdGd中的放射性产生中的放射性产生中的放射性产生中的放射性产生，0.65Hz/0.510.65Hz/0.51吨，看吨，看吨，看吨，看来可以忽略来可以忽略来可以忽略来可以忽略Double Chooz:Double Chooz:液闪中子液闪中子液闪中子液闪中子=0.4=0.4Hz(U+Th)/1e-6 Hz(U+Th)/1e

16、-6 1e-4 Hz1e-4 Hz第10页，共16页，编辑于2022年，星期六J.Cao 2005-9-111Michels electronStopped muon decay Stopped muon decay electron,delay 2 microsec electron,delay 2 microsec可以用来干什么？可以用来干什么？可以用来干什么？可以用来干什么？第11页，共16页，编辑于2022年，星期六J.Cao 2005-9-112同位素的同位素的衰变衰变Isotope(-/+)Isotope(-/+)E Emaxmax(MeV)(MeV)Rate/dayRate/da

17、y9 9C C +16.016.09.09.08 8B B +13.713.713.313.38 8Li Li -16.016.07.57.51111Be Be -11.511.54.44.41212B B -13.413.42152156 6He He -3.503.5030301111C C +0.960.96167816787 7Be Be 0.4780.4784294291010C C +0.72/1.90.72/1.9215215TotalTotal26012601E 4 MeVE 4 MeV195195Wen LiangJianWen LiangJian第12页，共16页，编辑于2

18、022年，星期六J.Cao 2005-9-113同位素同位素-neutron 衰变衰变IsotopeIsotopeE Emaxmax(MeV)(MeV)T T1/21/2(ms)(ms)Rate/dayRate/day9 9LiLi11.911.91781784 41111LiLi20.120.18.68.6N/AN/A1212BeBe8.38.321.321.3N/AN/A1313B B8.58.517.417.4N/AN/A1414B B12.512.512.512.5N/AN/AWen LiangJianWen LiangJian第13页，共16页，编辑于2022年，星期六J.Cao 2

19、005-9-114能够研究什么？能够研究什么？练手练手练手练手能量精度（电荷求和）能量精度（电荷求和）能量精度（电荷求和）能量精度（电荷求和）n n反射层反射层能量精度与顶点精度（能量精度与顶点精度（能量精度与顶点精度（能量精度与顶点精度（带反射的事例重建带反射的事例重建带反射的事例重建带反射的事例重建）能量标度误差，能量标度随时间的变化（液闪的稳定性）能量标度误差，能量标度随时间的变化（液闪的稳定性）能量标度误差，能量标度随时间的变化（液闪的稳定性）能量标度误差，能量标度随时间的变化（液闪的稳定性）检验检验检验检验Monte CarloMonte Carlo模拟软件模拟软件模拟软件模拟软件n

20、 n中子能谱，放射源刻度能谱，能量对位置的依赖关系中子能谱，放射源刻度能谱，能量对位置的依赖关系液闪的性质液闪的性质液闪的性质液闪的性质n n光产额，时间常数光产额，时间常数GdGd的放射性本底测量的放射性本底测量的放射性本底测量的放射性本底测量n n能否通过在线测量较准确地确定本底？能否通过在线测量较准确地确定本底？宇宙线引起的同位素本底测量（截面）宇宙线引起的同位素本底测量（截面）宇宙线引起的同位素本底测量（截面）宇宙线引起的同位素本底测量（截面）第14页，共16页，编辑于2022年，星期六J.Cao 2005-9-115Trigger准备取多少准备取多少准备取多少准备取多少Hz?Hz?所

21、有未被所有未被所有未被所有未被muon vetomuon veto的的的的44MeVMeV（或或或或3 3MeV)MeV)的事例的事例的事例的事例所有有快慢信号符合的事例所有有快慢信号符合的事例所有有快慢信号符合的事例所有有快慢信号符合的事例n n200 200 微秒？微秒？n n子事例的能量范围？子事例的能量范围？如果想通过级联衰变定放射性活度，则需取较低的能量。如果想通过级联衰变定放射性活度，则需取较低的能量。对天然放射性取样对天然放射性取样对天然放射性取样对天然放射性取样(1(1MeV?)pre-scale 1:10?MeV?)pre-scale 1:10?Muon Muon 事例取样事

22、例取样事例取样事例取样 pre-scale 1:10?pre-scale 1:10?n n如主探测器触发，则把前一个如主探测器触发，则把前一个muonmuon存下来。存下来。LEDLED刻度事例刻度事例刻度事例刻度事例放射源刻度事例单独取（降低能量阈值）放射源刻度事例单独取（降低能量阈值）放射源刻度事例单独取（降低能量阈值）放射源刻度事例单独取（降低能量阈值）第15页，共16页，编辑于2022年，星期六J.Cao 2005-9-116需要做的工作需要做的工作模拟模拟模拟模拟n nPMTPMT天然放射性天然放射性n n多少快中子与单中子本底？多少快中子与单中子本底？n n事例率的估计事例率的估计刻度刻度刻度刻度n n确定刻度的方法确定刻度的方法n n怎么确定能标的误差？怎么确定能标的误差？2.22.2MeVMeV与与8 8MeVMeV中子信号中子信号触发与取数系统触发与取数系统触发与取数系统触发与取数系统重建（时间信息，带反射的重建软件）重建（时间信息，带反射的重建软件）重建（时间信息，带反射的重建软件）重建（时间信息，带反射的重建软件）第16页，共16页，编辑于2022年，星期六