探测器的设计课件

探测器的设计56、极端的法规，就是极端的不公。——西塞罗57、法律一旦成为人们的需要，人们就不再配享受自由了。——毕达哥拉斯58、法律规定的惩罚不是为了私人的利益，而是为了公共的利益；一部分靠有害的强制，一部分靠榜样的效力。——格老秀斯59、假如没有法律他们会更快乐的话，那么法律作为一件无用之物自己就会消灭。——洛克60、人民的幸福是至高无个的法。——西塞罗探测器的设计探测器的设计56、极端的法规，就是极端的不公。——西塞罗57、法律一旦成为人们的需要，人们就不再配享受自由了。——毕达哥拉斯58、法律规定的惩罚不是为了私人的利益，而是为了公共的利益；一部分靠有害的强制，一部分靠榜样的效力。——格老秀斯59、假如没有法律他们会更快乐的话，那么法律作为一件无用之物自己就会消灭。——洛克60、人民的幸福是至高无个的法。——西塞罗探测器设计、模拟与物理目标曹俊中国科学院高能物理所香山科学会议•2005/04/06振荡信号反应堆中微子振荡有两种信号：总计数减少+谱变形小探测器（400t.GW.y）敏感度主要来自总计数大探测器（8000t.GW.y）敏感度主要来自谱变形（大亚湾3000t.GW.y)Apr.6,20053JunCao(IHEP)大亚湾误差来源1、反应堆反应堆误差2~3%，远近相对测量抵消，~0.05%2、探测器CHOOZ实验1.7%，大亚湾实验单个探测器~0.5%远近探测器交换后大部分抵消，~0.2%3、本底减除误差8He/9Li长寿命同位素本底远点~0.1%近点~0.5%快中子本底远点~0.1%近点~0.1%偶然符合本底<0.1%Apr.6,20056JunCao(IHEP)软件结构框图neutronspec.U,Th,K,Rnγspec.Neutrinospec.PhotontransportationanddigitizationGEANT3Reconstruction

n(Gd)spec.EventgeneratormaterialPMTsPEQPMTsPETLStimeconstantQlikelihoodTlikelihood

AcrylicreflectionattenuationlightyieldPMTmapDetectorgeometryE,x,y,zdE,TPMTQ,TMuonflux

1、宇宙线模拟2、探测器模拟3、光子传播与真实化4、事例重建Apr.6,20057JunCao(IHEP)探测器模拟软件GEANT3——高能物理通用探测器模拟软件GCALOR——强子模拟部分（中子）近实验站岩石

1米水

2米探测器模块

5米远实验站侧视俯视Apr.6,20058JunCao(IHEP)探测器模块结构不锈钢外罐直径5米，高4.8米有机玻璃罐直径4.1米，高3.9米有机玻璃罐直径3.2米，高3米36吨矿物油23吨普通液体闪烁体20吨掺钆液体闪烁体光电倍增管反射层？Apr.6,20059JunCao(IHEP)事例重建最大似然性拟合法电荷似然函数时间似然函数WallArea

(m2)#PMT

10%coverageNoRef.100350Reflection52+3510%195顶点精度~14cm带反射面的探测器事例重建：可以做到非常接近全装PMT的情况上下端盖加反射面可省大量PMTApr.6,200510JunCao(IHEP)中微子事例产生器P.VogelandJ.Beacon,PRD60,053003(1999)角分布（到1/M阶）反β衰变反应能谱Apr.6,200511JunCao(IHEP)能量标度的稳定性CHOOZ能量刻度误差1.1%：16keVat2.11MeV(0.76%)+0.8%driftfor

中子本底能量KamLAND能标稳定性0.6%大亚湾模拟中取1%at8MeV，2%at1MeV(保守起见）0.4%/day0.03%/dayApr.6,200512JunCao(IHEP)正电子效率ChoozDayaBayChooz1.3MeV,error0.8%（badLS)KamLAND2.6MeV,error0.26%正电子效率99.6%误差~0.05%(假定2%能标误差）Apr.6,200513JunCao(IHEP)中子俘获掺钆液闪：缩短中子俘获时间（7倍）提高中子俘获信号能量(8MeV)与天然放射性分开155Gd丰度18.5%俘获能量8.54MeV157Gd丰度81.5%俘获能量7.94MeVGroshevetal.,NuclDataTab.A5(1968)1Gamma能谱(MeV)Apr.6,200514JunCao(IHEP)中间层参考:CHOOZ5ton探测器采用70cm中间层，效率(94.6±0.4)%（顶点判选，较大的边缘效应）重复出了CHOOZ的中子效率，证明MC伽马能谱合理。NeutronEnergy(MeV)重建GEANTenergy6MeV中子效率91%误差~0.2%(假定1%能标误差）采用45cm厚中间层Apr.6,200515JunCao(IHEP)天然放射性模拟中考虑了U/Th/K/Co/Rn的整个

衰变链释放的伽马光子香港仔隧道中实测天然放射性岩石构成与大亚湾相似Apr.6,200516JunCao(IHEP)防护层15cm隔离光电倍增管（PMT）与液闪：隔离发光点与PMT>15cm（+30cmPMTbase）隔离天然放射性与液闪要求天然放射性<50Hz45cm矿物油，天然放射性能量>1MeV:PMT玻璃（低本底）：~7Hz岩石：~8Hz氡气（每小时换气一体积）：~15Hz

(模型依赖较大)采用45cm防护层Apr.6,200517JunCao(IHEP)时间判选1.5%0.15%中子慢化，然后被钆俘获慢化过程大约0.5~1微秒俘获时间常数~30微秒Choozcut:2μs-100μs2μscut:1.6%±0.2%100μscut:4.7±0.3%时间刻度(252Cf和Am/Be)依赖MonteCarlo!DYBcut:1μs-200μs物理过程对远近探测器一样！Apr.6,200518JunCao(IHEP)探测器误差ChoozDayaBayNoteSelectionEfficiencyErrorEfficiencyErrorPositronenergy97.8%0.8%99.6%0.05%2%EscaleerrorPositron-geodedistance99.9%0.1%--NeutroncaptureonGd84.6%1.0%84.6%1.0%FractionofcaptureonGdCaptureenergycontainment94.6%0.4%91%0.2%1%EscaleerrorNeutron-geodedistance

99.5%0.1%--Neutrondelay93.7%0.4%98%0.1%Chooz2μs<t<100μsPositron-neutrondistance

98.4%0.3%--Neutronmultiplicity97.4%0.5%0.03%兰色：远近探测器相对测量抵消红色：相对测量无法低消#proton0.8%0.2%Livetime-0.1%其它归一化误差CHOOZ的效率误差表KamLAND0.07%可用LED刻度Apr.6,200519JunCao(IHEP)探测器交换假如探测器的归一化误差不随探测器的移动而改变，那么远近探测器交换后，所有探测器误差可以全部抵消！哪些误差是可能随探测器移动而改变的？能量刻度的稳定性Livetime（与本底有关）会不会引入新误差？目前想像不出，需要监测（Side-by-Sidecalibration）如果探测器之间的相对误差<0.3%，也许不移动更好Apr.6,200520JunCao(IHEP)宇宙线模拟地面的宇宙线流强（能谱、角分布）采用经验公式：

Gaisser

公式对山的形状抽样

采用MUSIC软件包将μ子

从地表传播到地下实验厅精度好于10%

（如果地质情况精确）高能所、香港、伯克利

的模拟结果基本一致。Apr.6,200521JunCao(IHEP)μ子能谱远实验点：0.02Hz/m2，

160GeV近实验点：1.5Hz/m2，50GeV近点远点R.Kadel(LBL)Apr.6,200522JunCao(IHEP)8He/9Li本底长寿命同位素，无法通过μ子反符合去除（最大的本底）8He半衰期0.12s,9Li半衰期0.18s16%8He和49.5%9Li衰变到beta-neutronCERN测量截面：190GeVσ(8He+9Li)=2.12±0.35μbarn能量依赖关系近似满足估计远点：B/S~0.5%，误差取100%

近点：B/S~0.2%，误差取20%Apr.6,200523JunCao(IHEP)测量8He/9Li如果两个μ子之间时间足够长，可以拟合衰变时间

测量8He/9Li。KamLAND实验发现85%以上的同位素本底是9Li1Hz近点μ子流强太大（15Hz），难以拟合远点（0.2Hz）可以拟合到10~20%的精度Apr.6,200524JunCao(IHEP)Apr.6,200525JunCao(IHEP)中子本底模拟RPC宇宙线在岩石、水中产生中子中子产额、能谱、角分布根据经验公式，精度10~20%事例判选单个中子事例快中子本底Y.Wangetal.,PRD64,013012(2001)快中子本底能谱Apr.6,200526JunCao(IHEP)单中子快中子本底屏蔽水的厚度Apr.6,200527JunCao(IHEP)快中子本底近点events/day远点events/day单中子PassVeto975.359.2NotPassVeto19.41.33快中子本底PassVeto41.32.4NotPassVeto0.590.05两重反符合Veto效率99.5%。对宇宙线Veto200微秒。本底=(NotPassVeto)+0.5%(PassVeto)近点快中子B/S~0.14%，远点B/S~0.08%，误差取100%Apr.6,200528JunCao(IHEP)本底小结近点远点中微子事例率(/day)56080天然放射性(Hz)5050单中子(/day)242偶然符合本底B/S0.04%0.02%快中子B/S0.14%0.08%8He9LiB/S0.5%0.04%折算为100%误差误差估计为100%Apr.6,200529JunCao(IHEP)本底能谱8He/9Li的β能谱可以计算偶然符合本底能谱可以现场测量快中子本底能谱可以根据标记的μ子（统计量约比本底大50倍）估算这些本底能谱的误差相对于中微子的统计误差可以忽略（不确定性主要来自总数）Apr.6,200530JunCao(IHEP)物理分析必须正确处理误差之间的关联关系：标准的χ2函数