基于WCDA水質(zhì)監(jiān)測分析*

紀(jì) 方，張健欣，陳明君，李會財

(1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080；2. 中國科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049；3. 內(nèi)蒙古自治區(qū)機電控制重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

LHAASO-WCDA實驗的主要物理目標(biāo)是實現(xiàn)甚高能伽馬射線的全天候觀測，其中包括甚高能伽馬源的探測與監(jiān)測、能譜測量以及擴展形態(tài)的研究[1]。水切倫科夫探測器陣列的總面積為78 000 m2，有效水深4 m，由3個水池構(gòu)成，共需要3.5 × 108kg凈化水。每個水池被黑色隔光簾分隔成多個探測器單元，共3 120個，每個單元大小為5 m × 5 m。在1號水池的每個單元底部中心位置安裝一支光陰極朝上的8英寸光電倍增管(Photo Multiplier Tube, PMT)，用于接收廣延大氣簇射的次級粒子在水中產(chǎn)生的切倫科夫光。根據(jù)每個光電倍增管上接收的光子數(shù)目和光子到達(dá)時間，重建原初粒子的簇射芯位、能量和方向[2]。在每個8英寸光電倍增管旁邊放置了一個1.5英寸的光電倍增管，用于擴大簇射芯區(qū)可測量的動態(tài)范圍，從而實現(xiàn)高能宇宙線的高精度測量[3]。

水作為水切倫科夫探測器陣列的關(guān)鍵探測介質(zhì)，對長期運行的探測器陣列實驗至關(guān)重要，水的衰減長度直接影響探測器的探測效率，水衰減長度越大，表示水質(zhì)越好，光探測效率越高。不同實驗對水質(zhì)的要求也不相同。切倫科夫探測器(CHerenkov Detectors In PitS, CHIPS)實驗中測量切倫科夫光的衰減長度隨濾光時間的變化，研究了405 nm激光的透射特性，衰減長度高達(dá)100 m[4]。中國大亞灣中微子實驗中水的衰減長度要求30 m以上[5]。 液氬時間投影室(Liquid Argon Time Projection Chamber, LArTPC)探測器實驗中測量出液氬中摻雜的氮氣分子與閃爍光之間的反應(yīng)截面為(7.14 ± 0.74)×10-21cm2·molecule-1。百億分之二(ppm水平)的摻雜濃度對應(yīng)的衰減長度為(30 ± 3) m[6]。平方千米陣列(Kilometer-square Array, KM2A)繆子探測器[7]組自行研制了一種測量裝置，在8 m長的水箱中安裝多光源，達(dá)到快速測量水衰減長度的目的。通過對山上超純水水樣以及不同水質(zhì)水樣進行測量，驗證該裝置在100 m衰減長度的測量精度可以達(dá)到20%[8]。

水衰減長度測量方法中，采用一種簡便易行的直筒式測量方法，通過改變測量裝置中水位的高低來改變光在不同光程下的衰減，即可得到水樣的衰減長度[9]。前期水切倫科夫探測器陣列工程樣機實驗中，通過數(shù)據(jù)研究分析發(fā)現(xiàn)了一套利用單路計數(shù)能譜的第2個峰的峰位變化監(jiān)測水質(zhì)的方法[10]。此方法需要結(jié)合直接測量裝置的測量結(jié)果進行對比分析。GEANT4模擬時需要給定不同波長下的水衰減長度參數(shù)，即需要給出一個和實驗接近的水質(zhì)模型，但通過調(diào)研得出Smith和Querry兩種水質(zhì)模型[11]，需要通過測量確定一個合理的水質(zhì)模型，為模擬提供可靠的參量。

實驗采用直筒式測量方法得出一定波長下的水衰減長度，并同紫外可見分光光度計的測量結(jié)果進行對比，標(biāo)定探測介質(zhì)的衰減長度，并進一步通過不同波長發(fā)光二極管的測量結(jié)果分析，為GEANT4模擬提供一組可靠的水質(zhì)模型參數(shù)。

1 水衰減長度測量裝置

1.1 測量裝置的工作原理

水衰減長度測量裝置由發(fā)光二極管、光筒、主水管、光電倍增管組成，在某一波長下測量不同水位h的光電倍增管接收的信號幅度A，A0為發(fā)光二極管的發(fā)光強度，根據(jù)水衰減長度定義λ：

A=A0e-h/λ，

(1)

兩邊取自然對數(shù)：

lnA=lnA0+(-h/λ)，

(2)

得到光電倍增管接收到的信號幅值lnA與水位高度h的線性關(guān)系，進而得到水樣的λ值，即斜率絕對值的倒數(shù)。

1.2 水切倫科夫探測器陣列水衰減長度測量裝置

圖1為水切倫科夫探測器陣列利用該測量原理設(shè)計的水衰減長度測量裝置。測量步驟：(1)用待測水樣自動清洗測量裝置，以降低實驗誤差；(2)開啟對應(yīng)的電水閥和水泵開始注水，當(dāng)水位達(dá)到1.1 m時，關(guān)閉電水閥和水泵，打開發(fā)光二極管和光電倍增管電源，光電倍增管采集發(fā)光二極管的發(fā)光信號；(3)控制排水閥，改變測量裝置中水的高度h，測量光電倍增管接收到的信號幅值為A，記錄保存實驗數(shù)據(jù)；(4)根據(jù)水衰減長度計算公式擬合得到水樣的水衰減長度。

水衰減長度測量可以分為自動和手動測量兩種方式。在慢控制的系統(tǒng)下，實現(xiàn)自動測量，單次水樣測量每2小時完成一次，達(dá)到監(jiān)測水質(zhì)的目的。

1.3 水切倫科夫探測器陣列水衰減長度測量裝置穩(wěn)定性分析和測量結(jié)果

在正式測量之前，對該裝置的穩(wěn)定性進行了驗證分析。利用該裝置對水池內(nèi)的水質(zhì)進行了27日的監(jiān)測，通過分析每日的數(shù)據(jù)誤差，驗證系統(tǒng)測量的穩(wěn)定性。圖2為27日的測量誤差，可以看出誤差波動在0.22 m范圍內(nèi)，說明本裝置測量穩(wěn)定。

圖1 水衰減長度測量裝置結(jié)構(gòu)圖

Fig.1 Water attenuation length measuring device structure diagram

圖2 水衰減長度測量裝置的測量誤差

Fig.2 Measurement error of water attenuation length measuring device

圖3利用此裝置測得在400 nm波長發(fā)光二極管下水池水樣的結(jié)果，圖3(a)為單次測量擬合得到的水衰減長度，測量誤差小于3%；圖3(b)為長期測量結(jié)果，目前水池內(nèi)的水質(zhì)基本維持在(7.53 ± 0.21) m，總體測量誤差小于5%。

圖3 測量裝置的測量結(jié)果。(a) 單次測量結(jié)果；(b) 總體測量結(jié)果

Fig.3 Measuring device measuring results. (a) Single measurement result; (b) Overall measurement result

為了和直接測量裝置對比研究，實驗中還利用紫外可見分光光度計對同一水樣進行測量，得出吸光度和測量裝置給出的水衰減長度的對應(yīng)關(guān)系。

2 紫外可見分光光度計工作原理

2.1 紫外可見分光光度計工作原理

朗伯-比爾定律又稱為光吸收基本定律。它表明物質(zhì)吸收入射光時，吸收強度與光程及吸收物質(zhì)濃度之間的關(guān)系，是紫外吸收光譜和紅外光譜定量分析的理論依據(jù)。

A=lg(I0/I)=lg(1/T)=-lgT=KCL，

(3)

其中，A為吸光度；T為透過率；K為吸光系數(shù)；C為樣品濃度；L為光程；I0/I為入射光強度/透過光強度。

紫外可見分光光度計由光源、單色器、樣品室、檢測器、放大控制系統(tǒng)和結(jié)果顯示系統(tǒng)構(gòu)成。實驗采用雙光束，有兩條光路和一個檢測器，兩條光路中分別放置參比和樣品，光從單色器發(fā)出后經(jīng)斬波器，依次測定參比和樣品。檢測器選用光電倍增管，當(dāng)它受到輻射時，吸收光子能量，并轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的物理量，將樣品的測試結(jié)果顯示保存在計算機上。該方法測量水樣的吸光度是相對吸光度。

2.2 水切倫科夫探測器陣列紫外可見分光光度計

本次水切倫科夫探測器陣列水質(zhì)測量使用安捷倫科技有限公司生產(chǎn)的Cary300型紫外可見分光光度計。首先打開電腦Scan軟件和Cary300設(shè)備，預(yù)熱1小時，再設(shè)置測量波長300～700 nm，采樣時間為0.2 s，采樣間隔為1 nm，樣品室放入純水樣品進行基線校正，再對水樣進行測量。各個水樣經(jīng)紫外可見分光光度計測量的結(jié)果是吸光度(A)，即：

A=lg(I0/I) .

(4)

依據(jù)光的衰減遵從比爾(Beer)定律，假定水的衰減長度為λ，那么強度為I0的入射光通過長度為L的水樣后的強度為

I=I0e-L/λ，

(5)

分光計測量時L取0.1 m，可計算出各個水樣在每個波長下的衰減長度為

λ=1/(10Aln10) .

(6)

2.3 水切倫科夫探測器陣列紫外可見分光光度計

在正式測量之前，利用該裝置對水池內(nèi)的水質(zhì)進行了27日的監(jiān)測，分析每日的數(shù)據(jù)誤差，圖4為27日的吸光度轉(zhuǎn)化為水衰減長度的測量誤差，對該裝置的穩(wěn)定性進行了驗證分析。可以看出，誤差波動在0.18 m范圍內(nèi)，說明本裝置測量同樣穩(wěn)定。

紫外可見分光光度計在波長400 nm時測量各個水樣吸光度如圖5，純水的吸光度基本為0，吸光度越小，表明水樣的透明度越高，水衰減長度數(shù)值越大。開始注水時，吸光度快速下降，是不斷增加的水量對水池內(nèi)污染物的稀釋作用。循環(huán)站處理后的水的吸光度小于水池內(nèi)水的吸光度，表明循環(huán)站處理有一定的凈化水質(zhì)的能力，但尚未達(dá)到設(shè)計要求。

圖4 紫外可見分光光度計測量誤差

Fig.4 Measurement error with uv-visible spectrophotometer

圖5 紫外設(shè)備在400 nm波長下對不同水樣的長期監(jiān)測結(jié)果

Fig.5 Long-term monitoring results of different water samples at 400nm wavelength by ultraviolet equipment

3 結(jié)果分析

由上述兩種測量裝置的測試誤差分析可以看出，兩種測量裝置均存在一定誤差，分析是由于目前水切倫科夫探測器陣列水凈化循環(huán)設(shè)備不穩(wěn)定，影響測量。此外，紫外可見分光光度計測量時，由于設(shè)備本身誤差和每次取樣時比色皿上會有不同程度不可避免的污染導(dǎo)致測量結(jié)果略微不同。但兩種裝置測量的數(shù)據(jù)誤差都很小，均在可接受范圍內(nèi)。隨后利用兩種裝置對相同水樣進行了測量及對比分析。

圖6是用水衰減長度測量裝置在18日內(nèi)對水切倫科夫探測器陣列水池內(nèi)水的監(jiān)測結(jié)果，水衰減長度是(7.41 ± 0.21) m。同時利用紫外可見分光光度計監(jiān)測同一水樣的結(jié)果經(jīng)轉(zhuǎn)化后，水衰減長度(6.79 ± 0.37) m。兩種測量方法得到的水衰減長度結(jié)果在誤差范圍內(nèi)是符合的。

對兩種裝置測量的數(shù)據(jù)進行了水質(zhì)模型計算。表1為通過水衰減長度測量裝置和紫外可見分光光度計測量得到的水池內(nèi)的水樣在發(fā)光二極管波長365 nm、385 nm和400 nm下的水衰減長度，通過3個點得出水衰減長度與波長關(guān)系的斜率，分別為0.08 ± 0.04和0.10 ± 0.02。圖7是水的吸收長度隨波長的變化關(guān)系圖，根據(jù)不同的實驗結(jié)果，給出了兩種水吸收長度模型。Smith和Querry水質(zhì)模型在相同條件下的斜率分別為0.79 ± 0.05和0.16 ± 0.01。兩種裝置測量的數(shù)據(jù)計算出的斜率，均明確得出水池內(nèi)水樣更接近Querry水質(zhì)模型，因此，GEANT4模擬確定使用Querry水質(zhì)模型。

圖6 水池內(nèi)的水衰減長度

Fig.6 The attenuation length of water in a pool

圖7 兩種水質(zhì)模型

Fig.7 Two water quality models

表1 測量數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

本文對水衰減長度測量裝置和紫外可見分光光度計兩種裝置的穩(wěn)定性進行了驗證分析，得出了兩種裝置的測量誤差分別為0.22 m和0.18 m。利用兩種裝置對相同水樣進行了對比測量分析，證明兩種裝置在誤差范圍內(nèi)，得到的監(jiān)測結(jié)果相符。

利用水衰減長度測量裝置和紫外可見分光光度計兩種裝置的測量結(jié)果，分析不同發(fā)光二極管波長下監(jiān)測得到的水池水樣的水衰減長度，通過計算及對比分析，確定了GEANT4模擬中應(yīng)采用Querry水質(zhì)模型。