大亚湾反应堆中微子实验进展

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框架软件结构
宇宙线事例的模拟
31
探测器模拟
42.5cm, 91%
灵敏度和靶总靶质量的关系
中子探测效率与集光层厚度的关系
4x20 吨
15cm
PMT对液闪中不同位去
• 去年以来顺利通过了一系列重要的评审 • 2007年3月, 土建初步设计评审 • 2007年4月, 核安全评审 • 2007年4月, 美国能源部CD-1评审会 • 2007年8月, 科技部对大亚湾项目初步设计报告进
• θ13目前最好的结果由Chooz给出, 而CP破坏的相位还没有任何测量。 • 大多数理论模型预言sin22q13 ~ 0.001-0.1 • θ13的精确测量 • 其结果将决定未来轻子区CP破坏的测量, 从而有可能解决宇宙中正反
物质的不对称之谜。 • 对标准模型的扩展提供更强的约束。
90%CL
At m231 = 2.5 103 eV2, sin22 < 0.15
逊分校 ,弗吉尼亚工学院和州立大学
~ 200位研究人员
中国 (18) 高能所,北师大, 成都理工大学,原子能
院,中广核,东莞理工学院,南京大 学,南开大学,山东大学,深圳大学 ,清华大学,中国科技大学,中山大 学, 香港大学,香港中文大学,台湾
大学,交通大学,联合大学
3
为什么是θ13
• 三味中微子振荡模型由三个混合角, 两个质量方差, 一个CP相位描述, θ13是混合角之一。
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钢罐总体机械设计
尺寸重量受严格限制 足够的强度 接口复杂
电缆穿出 4m有机玻璃罐
反射板
最小元分析 应力分布
桶底与反射板
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支撑平台与吊具
• 支撑平台 • 中心探测器在水池中的支撑平台已完成工程设计, 并招标。 • 要求支撑110吨探测器, 水平度可调至毫米量级(刻度装置要求) • 吊具 • 装配用35吨吊具, 安装用130吨吊具。 • 已完成概念设计和详细的技术要求文档, 将由专业公司设计生产 • 2008年2月底完成设计, 2008年6月底完成生产
审核和招标。 • 正在研制和准备批量测试系统以及现场测试工作。
23
刻度系统
• 自动刻度装置 • 定期定点自动刻度 • 三种刻度源: • 68Ge, 252Cf, LED • 已完成工程设计,开始研制模型
• 手动刻度装置 – 不定期全体积刻度 – 多种放射源
• 已完成设计和招标
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探测器的组装与安装
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水切伦科夫探测器
• 注满纯净水的八角形水池 • 使纯净水循环更容易 • 长x宽x高: 16x16x10m3(远点),16x10x10m3(近点) • 中微子探测器排列中间,间距1m,保证被大于2.5m水层围绕。 • Tyvek将水池分成内外层,分别排放8”PMT构成内、外(厚1m)水切伦科夫
探测器,每个PMT覆盖约4m2。 • 已完成支撑结构的设计和PMT的固定方案。 • 纯净水净化系统方案已基本确定。 • 水池内衬和顶部密封已有方案,即将决定。
宇宙线导致的本底提供了得天独厚的条件。
6
反电子中微子的探测
利用反β衰变测量反电子中微子: e p e n
快信号:末态正电子和电子湮灭后 发出两个能量大于0.5MeV的光子
慢信号:末态中子在掺钆液 闪中慢化后被钆俘获,发出 总能量8MeV的伽马光子
快慢信号延迟符合确定中微子事例 7
反电子中微子的振荡几率
Uncertainty
Reactors
0.087% (4 cores)
0.13% (6 cores)
Detector
0.38% (baseline)
(per module)
0.18% (goal)
Backgrounds
0.32% (Daya Bay near)
0.22% (Ling Ao near)
4
三味中微子的振荡模型
混合矩阵:
质量谱:
参数化混合矩阵(PMNS矩阵,忽略了Majorana项):
太阳,反应堆
反应堆,加速器
大气,加速器 5
为什么是大亚湾
• 反应堆中微子是测量θ13的最佳选择, 因为其振荡 只由θ13决定, 不受CP相位角的干扰, 从而弥补基于 加速器中微子的长基线实验的不足。
系统误差
顶层岩石覆盖: 112m • 两个近点与一个远点
探测器之间用隧道连
接,共3100m
• 事例率:
0% slope
• ~1200/day 近点
• ~350/day 远点
0% slope
• 本底:
• B/S ~0.4% 近点
Access portal 8% slope
大亚湾近点: 2个探测模块共 40 吨靶 360m至大亚湾堆 顶层岩石覆盖: 98m
实验简介
1
什么是大亚湾实验
• 大亚湾实验是在大亚湾核电站群附近, 通过探测其 核聚变过程中发射出的电子反中微子的消失, 来精 确测量中微子的混合角之一θ13。
• 通过优化选择远近实验点, 建设地下实验室, 以及 自行设计的新型探测器, 大亚湾实验可以在90%的 置信度下, 将sin22θ13测量到0.01的精度。
反β衰变的能谱
反应堆发射的 中微子能谱
反β衰变的反应截面
8
怎样达到0.01的精度
• 相同的探测器在远近点进行相对测量, 有效地消除与反应堆相关的系 统误差。
• 建造地下实验室压缩宇宙线引起的本底。 • 严格控制和选择探测器材料(钢材、焊条、PMT等)以降低天然放射
性本底。
• 足够的统计量。
sources
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RPC探测器
• 完成了总体方案设计: • 每个模块2m 2m,4层单气隙RPC室 • 在香港的地下实验室里验证本底与噪声 • 生产工艺基于BESIII发展的技术 • 完成了裸室设计 • 改进了生产与测试设备 • 改进了生产工艺 • 改进了质量管理体系 • 已经开始了裸室的批量生产。
高压对探测效 率的影响
18
有机玻璃罐的设计
• 包括4m和3m的有机玻璃罐
• 工程设计已经完成, 试制了原型
• 模拟研究了各种偏移和形变下对物理结果的影响
• 2008年5月开始招标, 计划到2009年5月生产8套
设计效果图
原型
有限元分析
模拟研究
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反射板
• 大亚湾的独创设计, 在基本不降低探测器性能的情况下, 可 减少近一半的光电倍增管, 大大地降低造价
读出电子学和触发系统
数据获取系统
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离线系统
• 在高能所建立了由20台双核CPU服务器和10TB磁盘阵列组 成的计算机集群。
• 开发了基于Geant4的模拟软件 • 国际中微子实验的模拟中第一次使用Geant4 • 基于高能所的小模型实验, 完成和检验了完整的光学模型 • 满足和实现了探测器设计的模拟 • 建立了基于框架软件(Gaudi)的计算环境。
行评审 • 2007年12月, 科技部973项目中期总结和评估 • 2008年1月, 美国能源部CD-2评审会 • 已经完成了从最初的概念设计到实际设计 • 大亚湾实验正按计划进入紧锣密鼓的建造阶段
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未来。。。
• 进度计划表: • 2008年11月: 大亚湾近厅准备使用 • 2009年11月: 大亚湾近厅开始物理取数 • 2010年7月: 岭澳近厅开始物理取数 • 2010年12月: 大亚湾远厅开始物理取数 • 。。。
• “我们有信心高质量地按时完成大亚湾实验的各 项任务,取得科学成果”

——王贻芳,于973计划中期评估
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谢谢大家
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Backup
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正电子和中子的探测效率
• 正电子: E > 1MeV • 12%的能量分辨 ε=99.85% • 能量刻度引起的误差~0.05%
• 中子: E > 6MeV • ε~93%, σε~0.1% • 1%能量刻度误差 σε~0.2%
• 完成了液闪的混制、储存和灌装的总体方案与步骤:
• 修建三个200吨的存储池(内衬方案还在调研)
• 混制200吨掺钆液闪和普通液闪,注入存储池
• 依次灌装反中微子探测器

整个实验的关键: 所有液闪均为同一批次,消除C/H和Gd/H的误差
配置液闪
固体络合物工艺流程图 地下液闪混制厅
200t LS
200t Oil
• 一个地下装配大厅
• 一个地下水处理大厅
13
开工典礼
2007年10月13日, 在深圳中 国广东核电集团大亚湾核 电基地破土动工, 相关领 导和嘉宾出席典礼并发表 了讲话。
14
隧道工程
• 2008年2月19日开始爆破作业
• 隧道挖掘正在进行中
主隧道
土建隧道
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反中微子探测器的总体设计
• 圆柱形,直径5米,高5.3米 • 装配完的空探测器总重31吨 • 液体灌装后总重110吨 • 三层同心圆柱结构: • 不锈钢外罐 • 装白油,厚0.488m,高4.976m • 内壁环放光电倍增管 • 内壁涂黑 • 外有机玻璃罐 • 装普通液闪,厚42.5cm,高3.97m • 内有机玻璃罐 • 装掺钆液闪,直径3.1m,高3.1m • 靶重20吨 • 外有机玻璃罐上下加反射板 • 钢罐顶盖提供各种接口
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能量和位置重建
• 用最大似然法进行能量和定点重建
8MeV电子能量重建的 分辨率是~4.1%
阈值对效率的影响
裸室的设计
原型
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RPC的无死区叠放和支撑
叠放的设计
叠放的模型
支撑结构设计
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在线系统
• 读取并记录所有子探测器的数据, 物理事例, 探测器刻度事 例与本底事例
• 实时监测数据获取系统状态和数据质量 • 已完成前端电子学读出板(FEE)的设计。 • 初步完成触发板(LTB)的设计。 • 正在高能所的小模型上进行试验。
• 采用有机玻璃板夹反射膜的三明治结构
反射板原型, 高能所3号厅
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掺钆液闪
• 掺钆液闪是实验的核心技术之一,也是核探测技术的国际前沿。
• 高能所经过系统试验,率先采用异壬酸为配体配置钆的固体络合物,获得稳 定、高质量的掺钆液闪,该配方已被大亚湾合作组确定为掺钆液闪的生产方 案。
• 已完成固体络合物生产和现场混制的流程设计。
• 大亚湾核反应堆群是世界上最强的中微子源之一, 目前总热电功率11.6GW, 2011年岭澳二期运行后, 将达到17.4GW, 成为世界上第二大反应堆群。
• Φν=1.9x1020 Pth(GW) s-1 • 距离大亚湾反应堆1公里处中微子的通量
~2x1010cm-2s-1 • 大亚湾核电站紧邻高山, 为建造地下实验室以屏蔽
0.22% (far)
Signal statistics
0.2%
9
实验设计
远点: 4个探测模块共 80 吨靶 1600m 至岭澳堆 1900m 至大亚湾堆 顶层岩石覆盖: 350m
0% slope
• 通过近点与远点探测
器进行相对测量,以
岭澳近点:
消除与反应堆有关的
2个探测模块共 40 吨靶 500m至岭澳堆
• 大亚湾实验是第一次由中国主导的大型基础科学 国际合作项目, 大亚湾国际合作组由中国(包括台 湾和香港)、美国、俄罗斯和捷克六个国家和地 区的30多个研究单位和大学的200多位研究人员组 成。
2
大亚湾国际合作组
欧洲 (3) 俄国联合核子研究所, 俄国库尔恰托夫研究所
捷克查尔斯大学
美国 (14) 布鲁克海文国家实验室,加州理工学院 ,乔 治理工大学,伊利诺州理工学院 ,衣阿华州 立大学 ,劳伦斯伯克利国家实验室 ,普林斯 顿大学 ,伦斯勒理工学院,加州大学伯克利 分校 ,加州大学洛杉矶分校 ,休斯敦大学 , 伊利诺州大学香槟分校,威斯康辛州大学麦迪
200t Gd-LS
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掺钆液闪固体络合物生产装置
高能所3号厅净化间
Stirrer
600L AV
Platform
300L AV
300L AV
Metering Pump
Filter AV 22
光电倍增管
• 总共约需要3000个 • 反中微子探测器: 192x8=1536 • 水切伦科夫探测器: 289x2+384=962 • 完成了包括底座、支架、高压信号分解器、电缆等的设计、
• 大型净化间, 中心探测器装配、清洁、 测试
• 计划2008.7 建成, 开始中心探测器装配
地面装配大厅
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反符合探测器的总体设计
• 由水切伦科夫探测器和RPC探测器构成。 • 对宇宙线muon总的探测效率达: (99.5±0.25)% • 两者互相可以进行探测效率的校正。
RPC探测器
水切伦科夫探测器
• B/S ~0.2% 远点
10
探测器总体设计
• 多模块反中微子探测器以降低误差并互相校验 • 多重宇宙线反符合探测器: • 两层水切伦科夫探测器 • 顶层RPC探测器 • 总效率 > (99.5±0.25)%
11
实验进展
12
完成隧道与实验大厅设计
• 隧道总长度约3100m
• 三个地下实验大厅
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