WCDA時(shí)間標(biāo)定系統(tǒng)的研制與測試*

陳寶民，高 博，陳明君，龐兆廣

( 1. 河北師范大學(xué)，河北 石家莊 050024；2. 中國科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049)

1 簡 介

1.1 時(shí)間標(biāo)定方案

水切倫科夫探測器陣列是高海拔宇宙線觀測站的重要組成部分，主要功能是實(shí)現(xiàn)在甚高能中低能段(100 GeV～30 TeV)對整個(gè)北天區(qū)伽馬源的巡天觀測[1]，包括甚高能伽馬源的探測與監(jiān)測、能譜測量以及擴(kuò)展形態(tài)的研究[2]。水切倫科夫探測器為水池結(jié)構(gòu)，總面積78 000 m2，用黑色隔光簾分割成3 120個(gè)探測單元，每個(gè)單元尺寸為5 m × 5 m，圖1為探測器整體布局，圖中右下方1號水池每個(gè)探測單元采用1支直徑8英寸和1支直徑1.5英寸的光電倍增管，左下方2號水池及上方3號水池每個(gè)探測單元內(nèi)布置1支直徑20英寸和1支直徑3.5英寸的光電倍增管。

圖1 水切倫科夫探測器分布圖Fig.1 WCDA detector distribution

圖2 水池交叉標(biāo)定方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of pool cross calibration

1.2 交叉標(biāo)定方法

選取中心群作為基準(zhǔn)群，其他群通過一定的傳導(dǎo)路徑得到內(nèi)部探測單元。對于相鄰的群，假設(shè)ci_chi為待計(jì)算的群內(nèi)單元，c0_ch0為參考群內(nèi)的參考單元，ΔT為ci_chi與c0_ch0之間的時(shí)間差，即計(jì)算對象。

兩群之間共有8根交叉光纖，所在單元分別為ci_chx(x為光纖編號，定義為1, 2, 3, 4)和c0_chx，通過一個(gè)交叉光纖(ci_chx)可以得到：

ΔT=Tci_chi-Tc0_ch0=(TINci_chi-TINci_chx)-(TCRci_chx-TCRc0_ch0) ，

(1)

其中，TINci_chi為內(nèi)部光纖待計(jì)算的群內(nèi)單元對應(yīng)的信號到達(dá)時(shí)間；TINci_chx為對應(yīng)光纖編號為x的待計(jì)算的群單元對應(yīng)的信號到達(dá)時(shí)間；TCRci_chx為對應(yīng)光纖編號為x的參考群單元對應(yīng)的信號到達(dá)時(shí)間；TCRc0_ch0為參考群內(nèi)的參考單元對應(yīng)的信號到達(dá)時(shí)間。

相鄰群共有4組光纖可用，理想情況下，可以得到4組數(shù)據(jù)驗(yàn)證整個(gè)光纖通道的標(biāo)定。將4組數(shù)據(jù)取平均值即可得到兩個(gè)單元的時(shí)間差：

(2)

光纖的長短及彎折程度等使光強(qiáng)在傳輸過程中產(chǎn)生一定的衰減，為了保證探測器探測信號的均勻性，探測器安裝前需要對使用的光纖束進(jìn)行標(biāo)定。每個(gè)群需要兩套光纖，每套光纖需要36根，根據(jù)工程標(biāo)定需求，光纖束光強(qiáng)差異性不超過 ±10%。

2 標(biāo)定系統(tǒng)搭建

時(shí)間標(biāo)定系統(tǒng)主要由兩部分組成：光源系統(tǒng)和遠(yuǎn)距離觸發(fā)系統(tǒng)。

2.1 光源系統(tǒng)

光源系統(tǒng)由發(fā)光二極管、光筒(Light tube)和光纖分光束(Fiber bundle)組成。發(fā)光二極管的發(fā)光峰值波長為468 nm，發(fā)散角為120°，對應(yīng)塑料光纖衰減長度為26 m。光筒是發(fā)光二極管光源和光纖束連接的關(guān)鍵部件，光筒一端固定發(fā)光二極管，另一端連接固定光纖束入光端，發(fā)光二極管與光纖分光束入光端距離6.0 cm，兩者中間等間距放置3個(gè)黑色不透明通孔隔板，用于隔檔雜散光，使得光纖束接收的發(fā)光二極管光斑均勻度達(dá)到平均值 ± 2%水平。

分光光纖束是整個(gè)系統(tǒng)的最關(guān)鍵部件，起著光傳輸?shù)淖饔?。水切倫科夫探測器面積大，施工難，因此，在研制時(shí)，每套光纖束設(shè)計(jì)為1分41，每根光纖長度設(shè)計(jì)為40 m，以滿足交叉標(biāo)定的需要。

2.2 遠(yuǎn)距離觸發(fā)系統(tǒng)

光觸發(fā)系統(tǒng)由主控母板(Mother board)和子板(Slave board)組成，兩者通過RS485總線相連。RS485線連接主控母板和子板之間的通信，包括指令傳輸、發(fā)光頻率、驅(qū)動脈寬控制，用于調(diào)節(jié)發(fā)光二極管的發(fā)光狀態(tài)。同一套光纖束內(nèi)的光電倍增管通過接收經(jīng)過分光光纖束分發(fā)后的同步發(fā)光二極管信號，得到相對時(shí)間信息，再經(jīng)過扣除光纖之間的時(shí)間差并進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，得到光電倍增管之間的時(shí)間差。整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖3。

圖3 水切倫科夫探測器1號水池時(shí)間標(biāo)定構(gòu)建布局圖Fig.3 WCDA No.1 pool time calibration construction layout

3 光纖束的批量測試

為了滿足探測器需求，每個(gè)群需要2套光纖束，在制作過程中，光纖束內(nèi)部光纖之間存在一定的裁剪誤差，每套光纖束內(nèi)部光纖的相對時(shí)間差需要進(jìn)行刻度。因此，搭建了一套基于一維電動步進(jìn)滑臺以及基于VME/NIM機(jī)箱插件的半自動化批量測試系統(tǒng)。

3.1 測試平臺、測試方案介紹

首先將光纖束出光端依次固定在一維電動滑臺支架上，使用發(fā)光二極管觸發(fā)板給予10 ns脈寬信號驅(qū)動發(fā)光二極管發(fā)光。發(fā)光二極管發(fā)出的光脈沖信號經(jīng)過光纖束到達(dá)一支快速光電倍增管上，通過高壓插件給光電倍增管提供工作高壓，光電倍增管輸出信號通過信號分發(fā)板、10倍快速放大器、前沿甄別器后分別接入TDC和QDC插件，以分別收集時(shí)間和電荷信息。通過嚴(yán)格刻度光纖之間的距離，使得每次步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動后，只有一根光纖能夠正對光電倍增管光陰極中心。通過上位機(jī)腳本控制步進(jìn)滑臺驅(qū)動器以及數(shù)據(jù)采集程序，實(shí)現(xiàn)一套光纖束內(nèi)每根光纖的自動掃描，分別得到光纖輸出光強(qiáng)的均勻度以及光纖接收到信號所用時(shí)間的時(shí)間差。圖4為光纖測試平臺流程圖，該平臺通過長時(shí)間測試標(biāo)定，系統(tǒng)誤差為5.40 ps，完全滿足測試需求。

圖4 光纖測試流程圖Fig.4 Fiber test flow chart

3.2 測試結(jié)果

3.2.1 光強(qiáng)均勻度

經(jīng)過步進(jìn)電機(jī)的掃描，在10 ns脈寬信號驅(qū)動條件下，發(fā)光二極管發(fā)出的光通過6 cm的光筒，然后照射到光纖束的入光端，其中一套光纖束41根光纖的光強(qiáng)往復(fù)掃描測試結(jié)果如圖5，可以看到差異性在10%范圍內(nèi)，重合度很高，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

圖5 光纖重合度測試結(jié)果Fig.5 Test results of fiber overlap

通過上述測試系統(tǒng)，將53套光纖全部測試完畢，得到批量測試結(jié)果，測試過程中為了工程需要采用不同的發(fā)光二極管和光筒與光纖束配套，得到53套光纖光強(qiáng)的批量測試結(jié)果如圖6，由圖6可以看出，每套光纖束的光強(qiáng)平均值在350～600 ADC count范圍內(nèi)。53套光纖合格根數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7，橫坐標(biāo)為光纖編號，縱坐標(biāo)為光纖束合格根數(shù)，可以看出每套光纖至少有36根光纖達(dá)到工程標(biāo)定需求，從中選取50套光纖，部署在水切倫科夫探測器的1號水池。

圖6 光纖批量測試光強(qiáng)分布圖Fig.6 Light intensity distribution of fiber batch test

圖7 53套光纖合格數(shù)統(tǒng)計(jì)分布Fig.7 Statistical distribution of 53 sets of qualified fibers

3.2.2 時(shí)間差

利用上位機(jī)控制裝有光纖束的步進(jìn)滑臺行進(jìn)，測試得到每一根光纖對應(yīng)的時(shí)間信息，經(jīng)過步進(jìn)電機(jī)的掃描，在10 ns光強(qiáng)下，發(fā)光二極管發(fā)出的光通過6 cm的光筒，其中一套光纖束41根光纖的時(shí)間測試結(jié)果如圖8。

圖8 光纖束時(shí)間差分布Fig.8 Time difference distribution of fiber bundles

圖8中將每根光纖的時(shí)間測量結(jié)果與41根光纖時(shí)間平均值的差值作統(tǒng)計(jì)，橫坐標(biāo)為每根光纖的編號，縱坐標(biāo)為時(shí)間差，可以看出其時(shí)間的差值不超過0.4 ns。

4 結(jié) 論

水切倫科夫探測器的時(shí)間標(biāo)定系統(tǒng)對整個(gè)探測器進(jìn)行標(biāo)定，本文介紹了整個(gè)時(shí)間標(biāo)定系統(tǒng)的布局及方法，并對其核心部件光纖束進(jìn)行了批量測試，另外對測試平臺的研制進(jìn)行了說明，53套光纖束能夠滿足36根光強(qiáng)的一致性在平均值 ± 10%范圍內(nèi)，時(shí)間差分布差異相對平均值在 ± 0.4 ns范圍內(nèi)，達(dá)到了探測器的標(biāo)定需求。時(shí)間標(biāo)定系統(tǒng)的研制確保了探測器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為今后探測器的標(biāo)定工作提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。