WCDA时间标定系统的研制与测试*

陈宝民，高 博，陈明君，庞兆广

( 1. 河北师范大学，河北 石家庄 050024；2. 中国科学院高能物理研究所，北京 100049)

1 简 介

1.1 时间标定方案

水切伦科夫探测器阵列是高海拔宇宙线观测站的重要组成部分，主要功能是实现在甚高能中低能段(100 GeV～30 TeV)对整个北天区伽马源的巡天观测[1]，包括甚高能伽马源的探测与监测、能谱测量以及扩展形态的研究[2]。水切伦科夫探测器为水池结构，总面积78 000 m2，用黑色隔光帘分割成3 120个探测单元，每个单元尺寸为5 m × 5 m，图1为探测器整体布局，图中右下方1号水池每个探测单元采用1支直径8英寸和1支直径1.5英寸的光电倍增管，左下方2号水池及上方3号水池每个探测单元内布置1支直径20英寸和1支直径3.5英寸的光电倍增管。

图1 水切伦科夫探测器分布图Fig.1 WCDA detector distribution

图2 水池交叉标定方案示意图Fig.2 Schematic diagram of pool cross calibration

1.2 交叉标定方法

选取中心群作为基准群，其他群通过一定的传导路径得到内部探测单元。对于相邻的群，假设ci_chi为待计算的群内单元，c0_ch0为参考群内的参考单元，ΔT为ci_chi与c0_ch0之间的时间差，即计算对象。

两群之间共有8根交叉光纤，所在单元分别为ci_chx(x为光纤编号，定义为1, 2, 3, 4)和c0_chx，通过一个交叉光纤(ci_chx)可以得到：

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

(1)

其中，TINci_chi为内部光纤待计算的群内单元对应的信号到达时间；TINci_chx为对应光纤编号为x的待计算的群单元对应的信号到达时间；TCRci_chx为对应光纤编号为x的参考群单元对应的信号到达时间；TCRc0_ch0为参考群内的参考单元对应的信号到达时间。

相邻群共有4组光纤可用，理想情况下，可以得到4组数据验证整个光纤通道的标定。将4组数据取平均值即可得到两个单元的时间差：

(2)

光纤的长短及弯折程度等使光强在传输过程中产生一定的衰减，为了保证探测器探测信号的均匀性，探测器安装前需要对使用的光纤束进行标定。每个群需要两套光纤，每套光纤需要36根，根据工程标定需求，光纤束光强差异性不超过 ±10%。

2 标定系统搭建

时间标定系统主要由两部分组成：光源系统和远距离触发系统。

2.1 光源系统

光源系统由发光二极管、光筒(Light tube)和光纤分光束(Fiber bundle)组成。发光二极管的发光峰值波长为468 nm，发散角为120°，对应塑料光纤衰减长度为26 m。光筒是发光二极管光源和光纤束连接的关键部件，光筒一端固定发光二极管，另一端连接固定光纤束入光端，发光二极管与光纤分光束入光端距离6.0 cm，两者中间等间距放置3个黑色不透明通孔隔板，用于隔档杂散光，使得光纤束接收的发光二极管光斑均匀度达到平均值 ± 2%水平。

分光光纤束是整个系统的最关键部件，起着光传输的作用。水切伦科夫探测器面积大，施工难，因此，在研制时，每套光纤束设计为1分41，每根光纤长度设计为40 m，以满足交叉标定的需要。

2.2 远距离触发系统

光触发系统由主控母板(Mother board)和子板(Slave board)组成，两者通过RS485总线相连。RS485线连接主控母板和子板之间的通信，包括指令传输、发光频率、驱动脉宽控制，用于调节发光二极管的发光状态。同一套光纤束内的光电倍增管通过接收经过分光光纤束分发后的同步发光二极管信号，得到相对时间信息，再经过扣除光纤之间的时间差并进行数据修正，得到光电倍增管之间的时间差。整个系统架构如图3。

图3 水切伦科夫探测器1号水池时间标定构建布局图Fig.3 WCDA No.1 pool time calibration construction layout

3 光纤束的批量测试

为了满足探测器需求，每个群需要2套光纤束，在制作过程中，光纤束内部光纤之间存在一定的裁剪误差，每套光纤束内部光纤的相对时间差需要进行刻度。因此，搭建了一套基于一维电动步进滑台以及基于VME/NIM机箱插件的半自动化批量测试系统。

3.1 测试平台、测试方案介绍

首先将光纤束出光端依次固定在一维电动滑台支架上，使用发光二极管触发板给予10 ns脉宽信号驱动发光二极管发光。发光二极管发出的光脉冲信号经过光纤束到达一支快速光电倍增管上，通过高压插件给光电倍增管提供工作高压，光电倍增管输出信号通过信号分发板、10倍快速放大器、前沿甄别器后分别接入TDC和QDC插件，以分别收集时间和电荷信息。通过严格刻度光纤之间的距离，使得每次步进电机运动后，只有一根光纤能够正对光电倍增管光阴极中心。通过上位机脚本控制步进滑台驱动器以及数据采集程序，实现一套光纤束内每根光纤的自动扫描，分别得到光纤输出光强的均匀度以及光纤接收到信号所用时间的时间差。图4为光纤测试平台流程图，该平台通过长时间测试标定，系统误差为5.40 ps，完全满足测试需求。

图4 光纤测试流程图Fig.4 Fiber test flow chart

3.2 测试结果

3.2.1 光强均匀度

经过步进电机的扫描，在10 ns脉宽信号驱动条件下，发光二极管发出的光通过6 cm的光筒，然后照射到光纤束的入光端，其中一套光纤束41根光纤的光强往复扫描测试结果如图5，可以看到差异性在10%范围内，重合度很高，系统稳定性好。

图5 光纤重合度测试结果Fig.5 Test results of fiber overlap

通过上述测试系统，将53套光纤全部测试完毕，得到批量测试结果，测试过程中为了工程需要采用不同的发光二极管和光筒与光纤束配套，得到53套光纤光强的批量测试结果如图6，由图6可以看出，每套光纤束的光强平均值在350～600 ADC count范围内。53套光纤合格根数统计结果如图7，横坐标为光纤编号，纵坐标为光纤束合格根数，可以看出每套光纤至少有36根光纤达到工程标定需求，从中选取50套光纤，部署在水切伦科夫探测器的1号水池。

图6 光纤批量测试光强分布图Fig.6 Light intensity distribution of fiber batch test

图7 53套光纤合格数统计分布Fig.7 Statistical distribution of 53 sets of qualified fibers

3.2.2 时间差

利用上位机控制装有光纤束的步进滑台行进，测试得到每一根光纤对应的时间信息，经过步进电机的扫描，在10 ns光强下，发光二极管发出的光通过6 cm的光筒，其中一套光纤束41根光纤的时间测试结果如图8。

图8 光纤束时间差分布Fig.8 Time difference distribution of fiber bundles

图8中将每根光纤的时间测量结果与41根光纤时间平均值的差值作统计，横坐标为每根光纤的编号，纵坐标为时间差，可以看出其时间的差值不超过0.4 ns。

4 结 论

水切伦科夫探测器的时间标定系统对整个探测器进行标定，本文介绍了整个时间标定系统的布局及方法，并对其核心部件光纤束进行了批量测试，另外对测试平台的研制进行了说明，53套光纤束能够满足36根光强的一致性在平均值 ± 10%范围内，时间差分布差异相对平均值在 ± 0.4 ns范围内，达到了探测器的标定需求。时间标定系统的研制确保了探测器数据的准确性，为今后探测器的标定工作提供了宝贵经验。