The expectation of cosmic ray proton and helium energy spectrum below 4 PeV measured by LHAASO
大型高空空气簇射天文台（LHAASO）是一个由三个探测器阵列组成的复合宇宙线天文台：包括电磁探测器阵列和μ子探测器阵列的千米方阵（KM 2A），水切伦科夫探测器阵列（WCDA）和宽视场切伦科夫望远镜阵列（WFCTA）。LHAASO的主要科学目标之一是精确测量从1014 eV到1018 eV的单个成分的宇宙射线能谱。LHAASO实验将采用混合观测方法，可以同时观测到大范围空气簇射的横向和纵向分布。因此，多种参数可用于原生核的识别。本文通过多变量分析，获得了轻核组分的高纯度宇宙线模拟样品。1/4 LHAASO阵列的孔径分别为900 m2 Sr和1800 m2 Sr，用于纯质子和质子与氦（H&He）混合样品。讨论了从100 TeV到4 PeV的质子谱和H&He谱的前景。
2019-04-19 astro-ph.HE astro-ph.IM hep-ex
Testing of Front-End Readout Prototype ASICs Designed for WCDA in LHAASO
水切伦科夫探测器阵列（WCDA）是大型高空空气簇射观测站（LHAASO）的关键探测器之一，该观测站主要用于甚高伽马源探测。在WCDA中，有超过3000个光电倍增管（PMT）分散在80000平方米的水下。对于WCDA读出电子学，在从1光子电子（P.E.）4000 P.E.为了降低电子学复杂度，提高系统可靠性，提出了一种基于专用集成电路（ASIC）的读出方案。设计并测试了两个原型ASIC。第一个ASIC集成了用于电荷测量的放大和整形电路以及用于时间测量的鉴别电路。整形后的信号被进一步馈送到第二ADC ASIC，而来自ADC的输出信号由基于FPGA的时间数字转换器（TDC）数字化。测试结果表明，时间分辨率优于250 ps RMS，电荷分辨率优于10%，4000 P.E.时为1%。符合LHAASO WCDA的要求。
2018-06-24 hep-ex physics.ins-det
Performance study of 4-MU-loaded water for Cherenkov light detection
Institute for Basic Science（基础科学研究院）；Korean Institute of Geoscience and Mineral Resources（韩国地球科学与矿产资源研究所）
4-MU通过增强光子收集效率和波长转换，显著提高了水切连科夫探测器的光子检测效率，尤其在1ppm浓度下提升了约三倍。
2026-02-02 hep-ex physics.ins-det
Using Fast Photosensors in Water Cherenkov Neutrino Detectors
中微子物理学中许多尚未解答的问题，如轻子扇区中的CP破坏或中微子质量等级，可以通过更高灵敏度的中微子实验来回答。基于微通道板的新型光电探测器正在由大面积皮秒光电探测器（LAPPD）协作组开发。这些光电传感器已被证明具有出色的空间和定时分辨率。将这些器件应用于大质量水切伦科夫探测器中，可以显著提高中微子的顶点分辨率，增强中微子振荡实验的背景抑制。我们目前的初步结果，在水中的单粒子的重建能力切伦科夫探测器使用快速光电传感器。
2013-10-09 hep-ex physics.ins-det
Application of machine learning techniques to lepton energy reconstruction in water Cherenkov detectors
应用机器学习技术的水切伦科夫探测器中的轻子能量的重建进行了讨论，并说明了TITUS，建议的超神冈实验的中间检测器。据发现，应用这些技术导致超过50%的改进，在所有轻子能量的能量分辨率相比，基于查找表的方法。机器学习技术可以很容易地应用于不同的检测器配置，其结果与目前使用的基于似然函数的技术相当。
2018-02-24 hep-ex physics.ins-det
Future large-scale water-Cherenkov detector
MEMPHYS（兆吨质量物理学）是一个拟议中的大规模水切伦科夫实验，将在地下深处进行。它致力于核子衰变搜索和超新星、太阳和大气中微子的中微子探测，以及来自未来光束的中微子，以测量轻子扇区和质量等级中的CP破坏阶段。本文概述了最新研究的预期性能的MEMPHYS鉴于其物理范围的详细估计，主要是关于中微子束。
2013-06-28 hep-ex physics.ins-det
The Long Baseline Neutrino Experiment (LBNE) Water Cherenkov Detector (WCD) Conceptual Design Report (CDR)
为长基线中微子实验远探测器的水切伦科夫探测器选项编写的概念设计报告。
2012-04-10 hep-ex nucl-ex physics.ins-det
A novel water-Cherenkov detector design with retro-reflectors to produce antipodal rings
自神冈德以来，水切伦科夫探测器的基本设计没有改变：水箱的墙壁上排列着光电探测器，它们捕获相对论粒子产生的切伦科夫光子。然而，利用这种设计，大部分光子在光电探测器之间的不敏感区域中丢失，而同时大多数光电探测器在环外部并且保持黑暗。为了同时解决这两个问题，我们建议在所有光电探测器之间安装回射器。这些装置将未收集的光子反射回通过其发射点到在坦克的另一侧的光电探测器，产生二次，延迟切伦科夫环。数值模拟表明，由于这种对映环的视差效应，我们的系统可以产生高达2倍的提高探测器的顶点和角度分辨率。这种改进将有利于多环事件的运动学选择，并且将通过减少所需光电探测器的数量来降低探测器成本。
2018-08-29 hep-ex physics.ins-det
Neutrino Characterisation using Convolutional Neural Networks in CHIPS water Cherenkov detectors
本文提出用卷积神经网络处理CHIPS水切伦科夫探测器原始事例，实现宇宙线缪子排除、束流事例分类和中微子能量估计，性能显著优于传统似然重建和简单神经网络分类。
2022-06-29 hep-ex physics.ins-det
Data and clock transmission interface for the WCDA in LHAASO
水切伦科夫探测器阵列（WCDA）是大型高空空气簇射天文台（LHAASO）的主要组成部分之一。在WCDA，3600光电倍增管（PMT）和前端电子（FEE）分散在一个90000平方米的面积，而高精度的时间测量（0.5 ns RMS）需要在读出电子。为了满足这一要求，时钟必须以高精度分配给FEE。由于“无路由器”的体系结构，需要基于TCP/IP协议的高速数据传输。为了简化读出电子架构并与整个LHAASO读出电子保持一致，白兔（WR）开关用于通过约400米的单根光纤传输时钟，数据和命令。本文开发了一个LHAASO WCDA的数据和时钟传输接口原型。性能测试结果表明，数据和时钟传输的时钟同步精度优于50 ps。WR交换机的数据传输吞吐量在1块FEE板上可达400 Mbps，在4块FEE板共用1个上行端口时可达180 Mbps，优于LHAASO WCDA的要求。
2019-07-05 physics.ins-det
Machine Learning-based Energy Reconstruction for Water-Cherenkov detectors
Hyper-Kamiokande（Hyper-K）是一个新一代地下水切伦科夫（WCh）实验。远探测器将测量来自长基线中微子实验的振荡中微子通量，该实验使用J-PARC的1.3 MW质子束产生的0.6 GeV中微子。它有一个广泛的物理学和天体物理学计划，主要集中在轻子中微子混合矩阵和CP不对称性的精确测量。非振荡中微子通量将由中间WCh探测器测量。提议的设计之一是东海非振荡频谱中间罐（TITUS）。WCh探测器装有光电倍增管，用于探测中微子相互作用产生的带电粒子发出的切伦科夫光。光的检测用于测量带电粒子的能量、位置和方向。我们提出了基于机器学习的方法来重建WCh探测器中带电粒子的能量，并给出了我们对TITUS配置的结果。
2017-04-28 hep-ex physics.ins-det
Cherenkov and Scintillation Separation in Water-Based Liquid Scintillator using an LAPPD
本文描述了水基液体闪烁器（WbLS）的测量，演示了使用大面积皮秒光电探测器（LAPPD）的快速定时响应分离切伦科夫和闪烁成分。此外，三个WbLS混合物的时间曲线，定义的相对分数的闪烁化合物，其特征在于，具有提高的灵敏度闪烁上升时间。使用LAPPD和传统的光电倍增管（PMT）进行测量。所有样品都以有效分辨率O（100 ps）测量，这允许通过单独选择光子的到达时间来分离切伦科夫和闪烁光（此后称为C/S分离）。所选光子的切伦科夫纯度在所有情况下都大于60%，其中对于含有1%闪烁体的样品实现大于80%。这是第一次展示合成低光产额光放大器的能力，其中WbLS是典型的例子，具有快速光电探测器，其中LAPPD是新兴的领导者，并对未来的中型和大型探测器有直接的影响，如Theia，ANNIE和AIT/NEO。
2021-10-25 hep-ex physics.ins-det
Performance of LHAASO-WCDA and Observation of Crab Nebula as a Standard Candle
LHAASO实验的第一个水切伦科夫探测器（WCDA-1）自2019年4月以来一直在运行。前10个月的数据已经被分析，通过观察蟹状星云作为标准蜡烛来测试其性能。WCDA-1达到每年65 mCU的灵敏度，统计阈值为5 $σ$。当簇射足迹的$compactness$大于10时，在1 TeV和6 TeV附近的宇宙线背景抑制率分别为97.7%和99.8%，光子接受率约为50%.用蟹状星云作为点源，测量了角分辨率，在1 TeV时约为0.45 $^\circ$，在6 TeV以上优于0.2 $^\circ$，指向精度优于0.05 $^\circ$。它们都符合设计规格。对于6 TeV左右的伽马射线，能量分辨率为33%。测量了蟹状星云在500 GeV ~ 15.8 TeV范围内的能谱分布，与其它TeV γ射线观测站的结果一致。
2021-01-10 astro-ph.IM hep-ex physics.ins-det
Using Machine Learning to Improve Neutron Identification in Water Cherenkov Detectors
像Super-Kamiokande和下一代Hyper-Kamiokande这样的水切伦科夫探测器正在向水中添加钆，以提高中子的探测能力。除了中微子相互作用中的轻子外，通过探测中子，可以预期中微子和反中微子之间的分离得到改善，质子衰变搜索的背景也会减少。中子信号本身仍然很小，可能会与μ子散射和其他背景源混淆。本文采用机器学习技术优化Hyper-K新型中间水切伦科夫探测器（IWCD）的中子俘获探测能力。特别是，开发了增强决策树（XGBoost），图卷积网络（GCN）和动态图卷积神经网络（DGCNN）模型，并对基于统计可能性的方法进行了基准测试，实现了高达10%的分类准确性提高。还从数据集中设计了特征特征，并使用SHAP（SHapley Additive exPlanations）进行分析，以深入了解影响事件类型结局的关键因素。本研究中使用的数据集由大约160万个模拟粒子枪事件组成，几乎平均分配在中子捕获和背景电子源之间。
2022-06-26 hep-ex physics.ins-det
Proposal of the Readout Electronics for the WCDA in LHAASO Experiment
大型高空空气簇射观测站（LHAASO）是一个用于甚高能γ射线源探测的实验装置，水切伦科夫探测器阵列（WCDA）是其中的主要组成部分。在WCDA中，总共有3600个PMT被放置在四个池塘中的水下，每个池塘的尺寸为150 m x 150 m。PMT信号需要精确的时间和电荷测量，在从单个P.E.（光电子）至4000 P.E.为了满足大面积分布的前端节点对信号测量的高要求，开发了特殊的技术，如多增益读出，时钟，命令和数据的混合传输，精确的时钟相位对准，以及新的触发电子学。我们提出的读出电子架构的WCDA和几个原型模块，这是目前在实验室中进行测试。
2013-07-01 astro-ph.IM physics.ins-det
Characterization of water-based liquid scintillator for Cherenkov and scintillation separation
本文介绍了由线性烷基苯（LAB）和2，5-二苯基恶唑（PPO）配制的水基液体闪烁体的闪烁光产额和时间分布的测量。我们发现闪烁光输出与水中液体闪烁体浓度在1 - 10%之间呈线性关系，斜率为127.9 ± 17.0 ph/MeV/浓度，截距值为108.3 ± 51.0 ph/MeV，后者说明浓度小于1%时的非线性。这比从纯液体闪烁体光产额的简单外推所预期的要大。所测得的时间曲线比纯液体闪烁体的时间曲线快，上升时间小于250 ps，瞬发衰减常数在2.1-2.85ns范围内。此外，切伦科夫和闪烁光之间的分离使用宇宙μ子在CHESS实验中为每种配方进行量化，证明了在厘米尺度上的分离的改善。最后，我们简要讨论了大规模探测器的前景。
2020-09-23 hep-ex physics.ins-det
Attenuation study for Tibet Water Cherenkov Muon Detector Array-A
在37 000 m2的西藏空气簇射阵下，对西藏水切伦科夫μ子探测器阵列-A（Tibetan MD-A）的长电缆信号衰减进行了在线标定。基于光电倍增管（R3600_06）与信号电缆的防水连接，以及高压分压器的特点，提出了终端反射法测量信号衰减，并给出了消除脉冲基线（基座）影响的实用方法。利用开口电缆对终端反射法与QDC（Charge-to-Digital Conversion）数据采集法进行了对比测量，证实终端反射法是一种快速、方便的方法，适合于西藏MD-A信号衰减的在线标定。在26 \degree C时，永久连接到PMT的250 m电缆的实测衰减系数约为13.9%。同时，利用正弦信号测量了电缆的频率响应，通过傅里叶分析，可以研究西藏MD-A探测器产生的实际信号的时间色散。
2011-08-14 hep-ex physics.ins-det
Optical surface reflectivity characterization in water Cherenkov detectors: methodologies and industrial applications
本文提出一种基于测角仪的水切伦科夫探测器表面反射率表征方法，解决空气与水介质中的测量难题，并探讨BRDF测量的工业应用价值。
2025-04-01 hep-ex physics.ins-det physics.optics
Prototype of the Readout Electronics for WCDA in LHAASO
在大型高空空气簇射天文台（LHAASO）中，水切伦科夫探测器阵列（WCDA）是关键部件之一。该WCDA由3600光电倍增管（PMT）分散在一个90000平方米的面积，高精度的时间和电荷测量需要在一个大的动态范围从1到4000光电子（PE）。为了实现优于500 ps RMS的时间测量精度，需要在400个前端电子（FEE）模块之间进行高质量的时钟分配和自动相位补偿。为了简化读出电路结构，时钟、数据和命令通过400米光纤同时传输，而高速数据传输接口基于TCP/IP协议实现。本文介绍了WCDA读出电子学样机的设计和测试。测试结果表明，电荷分辨率优于10%RMS@1 P.E.和1% RMS@4000 P.E.，并且在整个动态范围内成功地实现了优于300 ps RMS的时间分辨率，超出了应用要求。
2019-08-05 physics.ins-det
Prospects for CHIPS (R&D of Water Cherenkov Detectors in Mine Pits)
CHIPS是一个研发计划，专注于设计和建造一个具有成本效益的大型水切伦科夫探测器（WCD），以研究使用加速器束的中微子振荡。具有低能量阈值的传统WCD已经被建造在特别大的地下洞穴中。这种设施的民用建设是昂贵的，挖掘阶段显着延迟探测器的安装，虽然，在最后，它提供了一个良好的屏蔽设备与多功能的物理程序。使用为LBNE WCD（arXiv：1204.2295）开发的概念，我们建议将探测器安装在深水水库中，这避免了挖掘，并利用加速器中微子束的方向性来优化探测器。在LOI（arXiv：1307.5918）之后，我们在明尼苏达州的一个矿井中浸没了一个小型测试探测器，距离NuMI轴7 mrad。通过采用IceCube和KM 3 NeT实验的一些技术思想和解决方案，我们现在专注于设计一个大型（10 - 20 kt）隔离水容器，以容纳具有水下读出和触发的光电探测器。在这里，我们更详细地描述了CHIPS的概念，其物理动机和潜力，我们简要介绍了正在进行的研发活动
2015-04-30 hep-ex physics.ins-det
Measuring the Attenuation Length of Water in the CHIPS-M Water Cherenkov Detector
在CHIPS水切伦科夫探测器的建议网站的水已被研究，以测量其作为过滤时间的函数的切伦科夫光的衰减长度。CHIPS探测器的比例模型充满了来自Wentworth 2W坑的水，CHIPS部署的建议地点，与充满这种水的3.2 \unit{m}垂直柱一起，用于研究405 nm激光的传输。对于该波长，仅使用过滤和UV灭菌，观察到与高达100 m的衰减长度一致的结果。
2016-11-19 physics.ins-det
On the role of radiative losses in energy scale of large liquid scintillator and water Cerenkov detectors
本文的范围是了解辐射损失在探测器能量标度在5-100 MeV的能量的作用，并估计它们在大型液体闪烁体和切伦科夫探测器中产生的非线性效应。为此，建立了广义能量标度探测器模型，并利用玩具蒙特卡罗模拟对探测器响应进行了模拟。有人发现，非线性成比例地增长到总的光输出的切伦科夫光的相对分数达到最大的纯水切伦科夫探测器。这种效应一般随能量的增加而增加，然后在更高的能量下饱和。在所有类型的探测器的5-10 MeV能量区域中，以及在具有低切伦科夫光分数（<10%）的闪烁探测器中的5-100 MeV能量区域中，非线性估计为亚百分比效应。同时，在纯水切伦科夫探测器中，对50 - 100 MeV的电子，它可以达到5%的数量级。据推测，这种效应可能有助于观察到的反应堆中微子光谱的差异。目前的分析表明，影响是相当小的，以产生显着的差异，在观察到的反应堆中微子光谱。尽管它仍然可能与上述能量范围内的精确测量和唯象分析相关。
2018-08-22 hep-ex physics.ins-det
Evaluation of a front-end ASIC for the readout of PMTs in large dynamic range
大型高空空气簇射观测站项目是为了调查和研究宇宙射线而提出的。在LHAASO计划中，水切伦科夫探测器阵列（WCDA）是寻找γ射线源的主要探测器之一。采用GlobalFoundry0.35 μ mCMOS工艺，研制了一种用于WCDA中光电倍增管（PMT）读出的电荷-时间转换器（QTC）专用集成电路。本文重点对这种前端读出ASIC的性能进行评估。测试结果表明，在大输入信号下，时间分辨率优于400 ps，电荷分辨率优于1%，在1光电（P.E.）下，电荷分辨率优于15%。都超出了应用要求。此外，该ASIC具有弱的环境温度依赖性、低的输入速率依赖性和高的通道间隔离。
2015-02-05 hep-ex physics.ins-det
An Intermediate Water Cherenkov Detector at J-PARC
最近的中微子振荡实验结果表明，现有的长基线实验对中微子扇区的CP破坏效应具有一定的敏感性。这种灵敏度目前在统计上是有限的，但下一代实验，DUNE和Hyper-K，将提供一个数量级更多的事件。为了充分发挥这些数据集的潜力，我们必须相应地提高对困扰它们的系统不确定性的理解。本次演讲介绍了两个拟议的中间探测器，用于日本目前和未来的长基线振荡实验，TITUS和NuPRISM。这些探测器在当前T2 K振荡分析的背景下进行了讨论，突出了它们可以减少这种测量的系统不确定性的方法。演讲还描述了NuPRISM的短基线振荡灵敏度以及探测器使中微子散射测量成为可能。
2016-03-03 hep-ex physics.ins-det
Tackling the muon identification in water Cherenkov detectors problem for the future Southern Wide-field Gamma-ray Observatory by means of Machine Learning
Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (LIP)（粒子实验物理与仪器实验室）；Instituto Superior Técnico (IST), Universidade de Lisboa（里斯本大学高等理工学院）；University of Granada（格拉纳达大学）
本文提出了几种方法来处理水切伦科夫探测器中识别μ子的问题，减少了水的体积和4个光电倍增管。使用不同的角度的信息表示和新功能的工程使用特定的领域知识。结果表明，这些新特征与卷积层相结合，能够实现良好的性能，避免过拟合，并能够适当地推广测试集。研究结果还证明，最先进的机器学习分析技术与低水深的水切伦科夫探测器相结合，可以有效地识别μ子，由于减少了高海拔地区所需的水量，这可能会节省巨额投资。这一成果可用于进一步的研究，能够区分γ和强子诱导的簇射使用μ子作为判别。
2021-01-28 cs.LG hep-ex physics.ins-det
Precise Clock Synchronization in the Readout Electronics of WCDA in LHAASO
水切伦科夫探测器阵列（WCDA）是大型高空空气簇射天文台（LHAASO）的关键部件之一。在WCDA，3600光电倍增管（PMT）和前端电子（FEE）分散在一个90000平方米的面积内，而时间测量分辨率优于0.5纳秒所需的读出电子。为了实现这样的时间测量精度，需要在400个FEE（每个FEE用于9个PMT读出）之间进行高质量的时钟分配和同步。为了简化电子系统架构，数据、命令和时钟通过FEE与时钟和数据传输模块（CDTM）之间400米距离的光纤同时传输。在这篇文章中，我们提出了一种新的方法的基础上，白兔（WR），以实现完全自动的时钟相位对准不同的FEE之间。原始WR被增强以克服由于环境温度变化而引起的时钟延迟波动。本文介绍了总体方案，原型电子学的设计，和初步的测试结果。结果表明，在1km光纤上实现了优于50ps的时钟同步精度，远远超出了应用要求。
2019-07-24 physics.ins-det
Research of time discrimination circuits for PMT signal readout over large dynamic range in LHAASO WCDA
在大型高空空气簇射天文台（LHAASO）的水切伦科夫探测器阵列（WCDA）的读出电子学中，需要在从1个光电子（P.E.）4000 P.E.用于PMT信号读出。本文介绍了我们在LHAASO WCDA中时间鉴别电路的设计，特别是在减少电路死区时间方面的改进。通过分析和仿真研究了几种方法，并在实验室中设计和测试了实际电路以评估性能。测试结果表明，在整个大动态范围内，时间分辨率优于500 ps RMS，电路死区时间小于200 ns。
2019-07-05 physics.ins-det
Gamma Neutron Radioactive Source Identification in Water Cherenkov Detectors
Departamento de Física de Neutrones, Centro Atómico Bariloche（中子物理系，巴拉德奥切原子能中心）；Instituto Balseiro, CNEA-UNCuyo（巴尔塞罗研究所，CNEA-门多萨国立大学）；Escuela de Física, Universidad Industrial de Santander（桑坦德工业大学生物物理学院）；Departamento de Ciencias Básicas, Universidad Autónoma de Bucaramanga（巴兰基亚自治大学基础科学系）；Fractalis Adventures & piensas.xyz（Fractalis探险与piensas.xyz）；Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET)（国家科学研究委员会）
本研究在水切伦科夫探测器中，结合统计分析与软投票集成机器学习模型，实现伽马中子放射源的有效 discrimination，提升了辐射识别能力，可应用于核安全领域。
2026-10-26 hep-ex physics.ins-det
Reconstructing the direction of reactor antineutrinos via electron scattering in Gd-doped water Cherenkov detectors
以最近提出的WATCHMAN反中微子实验为基线模型，研究了在掺钆水切伦科夫探测器中反中微子电子弹性散射确定核反应堆反中微子通量方向的可能性.预期的散射率确定假设一个13公里的距离从3.758 GWt轻水核反应堆和探测器响应建模使用Geant 4为基础的模拟包。通过独立的模拟和缩放来自类似探测器的已发表测量结果来估计背景。背景贡献估计太阳中微子，错误识别的反应堆为基础的逆β衰变相互作用，宇宙成因放射性核素，水载氡，和伽马射线的光电倍增管（PMT），检测器的墙壁，和周围的岩石。我们表明，使用低背景PMT和足够的fiducialization，水载氡和宇宙成因放射性核素构成最大的威胁的敏感性。然后分析了方向灵敏度作为氡污染，探测器深度和探测器尺寸的函数。结果提供了一个列表的实验条件，如果在实践中得到满足，将使反中微子定向重建在3 $σ$的意义，在大型钆掺杂水切伦科夫探测器与大于10公里的距离从核反应堆。
2016-12-17 hep-ex nucl-ex physics.ins-det
PocketWATCH: Design and operation of a multi-use test bed for water Cherenkov detector components in pure and gadolinium loaded water
PocketWATCH是一个位于Sheffield大学的多用途测试床，通过配备2000L超纯水箱及温控净化系统，重现大型水Cherenkov探测器条件，并兼容0.2%硫酸钆溶液，为下一代中微子探测器的硬件开发提供稳定的离位测试环境。
2024-02-14 physics.ins-det
A Study of the Water Cherenkov Calorimeter
研究了用水箱制成的水切伦科夫量热计作为新一代中微子探测器的新设想。建立了一个1 × 1 × 13 m^3的水箱模型，对其性能进行了研究，并与基于GEANT 4的蒙特卡罗模拟进行了比较。利用测量的水箱参数，包括光收集效率、衰减长度、角相关响应等，详细的蒙特卡罗模拟表明，该探测器在识别中微子带电电流事件时具有良好的性能，同时能抑制中性电流和错误味道背景。
2006-03-05 physics.ins-det
The Design and Construction of the Chips Water Cherenkov Neutrino Detector
本文介绍了位于明尼苏达州北部的CHIPS大型水切伦科夫中微子探测器原型的设计与建造，旨在证明中微子振荡探测器的建造成本可降低至少一个数量级，并成功验证了多项关键概念与设计。
2024-09-25 hep-ex physics.ins-det
The design and performance of a prototype water Cherenkov optical time-projection chamber
在费米实验室的试验束装置上，在水基光学时间投影室（OTPC）中通过“漂移”切伦科夫光子跟踪相对论带电粒子的第一次实验测试已经完成。原型OTPC探测器由77 cm长、28 cm直径、40 kg的圆柱形水团组成，该圆柱形水团装有商业$5.1\times5.1$ ~cm $^2$微通道板光电倍增器（MCP-PMT）和$6.7\times6.7$ ~cm $^2$反射镜的组合。五个MCP-PMT以小角度立体配置沿着OTPC圆柱体安装在两列中。反射镜安装在检测器圆柱体远侧的每个MCP-PMT的对面，有效地使光电检测效率加倍，并在相对壁上提供切伦科夫光的时间分辨图像。每个MCP-PMT耦合到由30个50欧姆微带组成的阳极读出器。一个180通道的数据采集系统使用PSEC 4波形采样和数字化芯片以每秒10.24千兆采样率对微带一端的MCP PMT信号进行数字化。单端微带读出器通过记录直接信号和从带的未终止远端反射的脉冲来确定光子到达MCP-PMT表面的时间和位置。该探测器安装在费米实验室MCenter次级束线后面的钢吸收器的主要通量是几个GeV的μ子。大约80切伦科夫光子被检测到的一个贯穿的μ子轨道中的总事件持续时间为~2 ns。通过测量单个光子在探测器表面的到达时间和位置，分别测量到$\le$ 100 μ s和几mm，我们已经测量到每个MCP-PMT轨道段的空间分辨率为$\sim$ 15 μ m…
2015-10-04 hep-ex physics.ins-det
Research and Development for a Gadolinium Doped Water Cherenkov Detector
提出的将可溶性钆（Gd）化合物引入到水切伦科夫探测器中可以导致用于探测Gd上捕获的自由中子的高效率。这些捕获产生的延迟的8 MeV伽马级联，与即时正电子信号一致，用于唯一地识别通过逆β衰变相互作用的电子反中微子。这种符合探测可以减少背景，允许大型Gd增强水切伦科夫探测器首次观测超新星遗迹中微子和日本反应堆反中微子通量的高精度测量，同时仍然允许所有当前的物理研究继续进行。现在，一个专门的Gd测试设施正在神冈矿运行。这个新设施拥有成功操作Gd掺杂水切伦科夫探测器所需的一切。该设施的成功运行将证明，向SK中添加Gd盐对探测器是安全的，并且能够提供预期的物理益处。
2012-01-04 astro-ph.IM astro-ph.SR hep-ex
Spectral Photon Sorting For Large-Scale Cherenkov and Scintillation Detectors
我们在这里描述的测量与一个新的设备，“二色性”，温斯顿式的光集中器建成的二向色反射器，它可以允许大规模的中微子探测器排序光子的波长与小的整体光损失。光子分选将有利于大规模的水或冰切伦科夫探测器，如Hyper-Kamiokande或ICECUBE，通过提供色散的测量，这反过来又可以改善位置重建和定时。对于像JUNO这样的闪烁体探测器，升级到SNO+或KamLAND-ZEN，或者像Theia这样的水基液体闪烁体探测器，二色棱锥将提供切伦科夫和闪烁光之间的有效区分，使它们能够作为真正的混合探测器运行。我们包括测量与原型二色锥使用第一切伦科夫源显示光谱光子分选工程预期。然后，我们提出了两个不同的实验室为基础的液体闪烁体源的测量，并证明切伦科夫和闪烁光之间的歧视。在工作台上，我们可以识别纯度高于90%的切伦科夫光，同时保持闪烁光的高收集效率。还介绍了一个大规模的检测器的模拟的第一结果。
2020-04-15 hep-ex physics.ins-det
Prospects for long-range reactor monitoring with gadolinium-loaded water-Cherenkov detectors
反中微子探测器是能够远程监测核反应堆活动的实用、非侵入性工具。在这里，我们探讨的超级神冈水切伦科夫探测器的灵敏度，钆负载后，从一个核反应堆复杂的距离约190公里的反中微子。观察反应堆综合体中两个目前正在运行的堆芯所需的寿命取决于附近其他反应堆的活动，以及对探测效率和本底率的估计。在合理的假设下，我们发现，钆负载的超级神冈可以在50（10）活天95%（50%）的时间内以95%的置信度检测到来自高滨反应堆复合体两个堆芯的反中微子通量，或者在397（73）活天内检测到来自一个堆芯的通量，前提是每个堆芯都以标称功率运行。
2018-04-10 hep-ex hep-ph physics.ins-det
Scalability of gadolinium-doped-water Cherenkov detectors for nuclear nonproliferation
反中微子是裂变过程中不可避免的副产品。千吨级的KamLAND实验已经证明了在几百公里范围内探测反应堆反中微子的能力。但是，要探测或排除几公里范围内单个小型反应堆的存在，需要一个大型探测器。实际上如此之大，以至于检测介质本身的光学不透明度成为一个重要因素。如果探测器太大，以至于光子不能穿过探测器介质到达光学探测器，那么它就变得不切实际。出于这个原因，钆掺杂水切伦科夫探测器已被提出用于大容量，由于其吸引人的光衰减特性。尽管切伦科夫辐射产生的光子不多，能量分辨率也不高，但掺钆水探测器在核反应堆远场监测中仍有一定的应用前景。在本文中，我们专注于反应堆的发现潜力的大体积掺钆水切伦科夫探测器的核不扩散应用。现实的背景模型，全球范围内的反应堆通量，地球中微子，宇宙成因快中子，探测器相关的背景。我们计算的检测器运行时间需要检测一个小的50兆瓦的反应堆在各种各样的距离作为检测器的大小的函数。我们强调，目前，PMT暗率和事件重建算法的限制因素，扩展到超过50-kt的基准质量。
2022-08-17 hep-ex physics.app-ph physics.ins-det
Variational Autoencoders for Generative Modelling of Water Cherenkov Detectors
University of Manitoba（曼尼托巴大学）；TRIUMF；University of British Columbia（不列颠哥伦比亚大学）
物质-反物质不对称性是物理学中尚未解决的主要问题之一，可以通过当前和下一代中微子振荡实验中电荷宇称对称性破坏的精确测量来探索。在这项工作中，我们展示了变分自动编码器和归一化流的能力，以近似这些实验中常用的水切伦科夫探测器的模拟数据的生成分布。我们研究了这些方法的性能及其适用于半监督学习和合成数据生成。
2019-11-01 cs.LG hep-ex physics.ins-det
Toward the Detection of Relativistic Image Doubling in Water Cherenkov Detectors
当伽马射线或宇宙射线撞击地球大气层的顶部时，一簇次级粒子向地表移动。这些次级粒子中的一些是带电的μ子，随后进入地面上的水切伦科夫探测器（WCD）。这些μ子中的许多在真空中以接近光速的速度运动，在水中的运动速度比光速快，因此在WCD中触发各向同性的切伦科夫辐射。在许多WCD内部是检测这种切伦科夫辐射的光电倍增管（PMT）。当μ子朝向PMT的速度的径向分量从超光速下降到亚光速时，PMT将记录来自一种鲜为人知的光学现象的切伦科夫光，称为相对论性图像倍增（RID）。如果RID探测光电倍增管被高分辨率录像机取代，他们会看到两个μ子的切伦科夫图像突然出现在坦克内部，一个图像以速度分量向录像机移动，另一个则远离。即使没有视频，RID现象也会导致不同的PMT记录相同μ子的明显不同的光变曲线。在本文中，我们提出了一项研究，希望能激发明确的检测和报告的RID的影响，在WCD。我们考虑三个例子的情况下，μ子RID在高海拔水切伦科夫（HAWC）的系统：垂直，水平和倾斜。蒙特卡罗模拟表明，在HAWC类系统中的RID效应并不罕见-它们发生在所有μ子轨道的85%以上。
2020-10-07 astro-ph.HE astro-ph.IM hep-ex
Testing the new QSM-6M optical module with the NEVOD Cherenkov water detector
本文讨论了研究中微子望远镜光学组件对切伦科夫水探测器NEVOD记录的各类事件响应特性的方法。本文介绍了用滨松R877光电倍增管对一个光学组件在单μ子事件和高能沉积事件中的测试结果。
2021-10-06 astro-ph.IM physics.ins-det
Muon identification in a compact single-layered water Cherenkov detector and gamma/hadron discrimination using Machine Learning techniques
μ子标记是在宽视场γ射线观测站区分γ和强子诱导簇射的重要工具。在这项工作中，它表明，一个有效的μ子标记（和计数）可以实现使用水切伦科夫探测器减少水的体积和4 PMT，提供PMT信号的空间和时间模式的解释基于机器学习（ML）的分析。开发的分析已经过测试，不同的淋浴和阵列配置。ML分析的输出，有一个μ介子在WCD站的概率，已被用来显着区分γ和强子诱导的簇射与$S/ \sqrt{B} \sim 4$的簇射能量$E_0 \sim1\,$ TeV。最后，对于质子诱导的簇射，建立了一个估计的μ子的数量的概率的总和的装置有一个μ子在车站。用$N_μ > 10$计算了垂直簇射的$20\%$分辨率，得到了可以忽略的偏差。
2021-06-07 hep-ex hep-ph physics.ins-det
A multichannel front end ASIC for PMT readout in LHAASO WCDA
在大动态范围内进行时间和电荷测量，从1个光电（P.E.）4000 P.E.水切伦科夫探测器阵列（WCDA）是大型高空空气簇射天文台（LHAASO）的关键组成部分之一。为了简化读出电路的电路结构，设计了前端ASIC。基于电荷-时间转换方法，ASIC的输出脉冲宽度对应于输入信号电荷信息，而输入信号的时间信息通过ADC拾取，因此可以使用该ASIC和随后的时间-数字转换器（TDC）同时数字化时间和电荷信息。为了解决在以前的原型版本中观察到的通道之间的失配的挑战，这项工作提出了分析问题和优化电路的方法。采用GLOBALFOUNDRIES 0.35 μ mCMOS工艺设计和制造了一种新版本的ASIC，在每个芯片中集成了6个通道（对应于3个PMT的读出）。测试结果表明，通道之间的失配显着减少到小于20%，使用所提出的方法。时间测量分辨率优于300 ps，电荷测量分辨率在1 P.E.优于10%，4000 P.E.时为1%，符合应用要求。
2019-09-25 physics.ins-det
The Mercedes water Cherenkov detector
提出了一种小型的单层水切伦科夫探测器的概念，该探测器具有三个光电倍增管（PMT），放置在其底部的$120^{\circ}$星配置（\emph{Mercedes}水切伦科夫探测器）。光电倍增管放置在靠近站的侧壁处，倾斜度可调，可安装在水量内部或外部。为了说明这一概念在技术上的可行性，并对其成本进行一级估算，详细阐述了一项工程设计。这些站的灵敏度低能量广泛的空气簇射（EAS）的电子，光子和μ子进行了讨论，无论是在紧凑和稀疏的阵列配置。它示出的PMT信号的强度和时间模式的分析，使用机器学习技术，使标记的μ子，实现一个很好的伽玛/强子歧视TeV的阵雨。这一概念最大限度地降低了站的生产和维护成本，允许高度灵活和快速的安装。因此，Mercedes Water Cherenkov探测器（WCD）非常适合用于高空大型伽马射线观测站，覆盖从低能量（缩小卫星和地面测量之间的差距）到非常高的能量区域（超过PeV尺度）的扩展能量范围。
2022-09-27 astro-ph.IM hep-ex hep-ph
Design and simulation of a 12-bit, 40 MSPS asynchronous SAR ADC for the readout of PMT signal
大型高空空气簇射天文台（LHAASO）水切伦科夫探测器阵列（WCDA）的读出系统要求高精度、大动态范围的测量。本文介绍了一种用于LHAASO WCDA读出的12位40 MSPS模数转换器（ADC）专用集成电路（ASIC）原型。将该ADC与我们前期完成的前端ASIC相结合，可以实现基于数字峰值检测方法的高精度电荷测量。该ADC采用低功耗的逐次逼近寄存器（SAR）结构，集成了电容式数模转换器（CDAC）、动态比较器和异步SAR控制逻辑等关键部件。仿真结果表明，在低于20 MHz的输入频率范围内，采样速率为40 MSPS时，有效位数（ENOB）优于10位，每通道功耗为6.6 mW。上述结果足以满足WCDA的读出要求。
2016-01-14 hep-ex physics.ins-det
Likelihood and Deep Learning Analysis of the electron neutrino event sample at Intermediate Water Cherenkov Detector (IWCD) of the Hyper-Kamiokande experiment
针对Hyper-K的IWCD电子中微子测量中π0本底难以区分的问题，本文在似然重建基础上引入机器学习框架，以提升νe事例的纯度与选择效率。
2024-11-14 hep-ex physics.ins-det
The Analog Front-end Prototype Electronics Designed for LHAASO WCDA
在大型高空空气簇射天文台（LHAASO）的水契伦科夫探测器阵列（WCDA）的读出电子学中，需要在从1个光电子（P.E.）4000 P.E.模拟前端（AFE）电路是整个读出电子学中的关键部分之一。通过参数计算和电路仿真，设计并优化了AFE样机，并对样机进行了初步的电子学测试，以评估其性能。测试结果表明，在4000 P.E.时，电荷分辨率优于1%。并且在1 P.E.时保持高于10%，时间分辨率优于0.5ns RMS，优于应用要求。
2015-04-22 nucl-ex physics.ins-det
Study of wavelength-shifting chemicals for use in large-scale water Cherenkov detectors
切伦科夫检测器采用各种方法来最大化在光电倍增管（PMT）处的光收集。这些通常涉及使用衬在检测器内部的高反射材料、PMT周围的反射材料或PMT周围的波长偏移片。最近，已经探索了使用水溶性波长移位器来增加切伦科夫辐射在水中的可测量光产额。这些波移化学品能够吸收紫外线中的光，并在PMT可检测的范围内重新发射光。使用250 L水切伦科夫检测器，我们已经表征了三种化合物在水中的光产额的增加：4-甲基伞形酮、卡波司基利-124和氨基-G盐。我们报告浓度为1 ppm时PMT响应的增益为：4-甲基伞形酮为1.88 $\pm$ 0.02，50天内稳定在0.5%以内，卡波司基利-124为1.37 $\pm$ 0.03，氨基-G盐为1.20 $\pm$ 0.02。对4-甲基伞形酮的响应进行了建模，导致模拟增益在1 ppm浓度下实验增益的9%以内。最后，我们报告了一个大规模（3.5 kL）的钆掺杂水切伦科夫探测器在4-Methylumbelliferone浓度为1 ppm的中子探测性能的增加。
2011-10-14 nucl-ex physics.ins-det
Wavelength Shifters for Water Cherenkov Detectors
通过添加波长移位器，可以显著提高水基切伦科夫检测器的光输出。波长移位器（WLS）分子吸收紫外光子并以较长波长重新发射它们，其中典型的光电倍增管更敏感。在这项研究中，几个波长移位化合物进行了测试，可能部署在萨德伯里中微子天文台（SNO）。几个WLS候选人的光学性能和化学兼容性的测试结果报告，连同时间和增益测量。SNO探测器响应的蒙特卡罗模拟用于估计WLS的总光增益。最后，搭建了一个宇宙线切伦科夫探测器，研究了WLS的光学特性。
2008-07-18 physics.ins-det physics.optics
Novel methods for measuring the optical parameters of the water Cherenkov detector
本文介绍了一种测量大型高空空气簇射天文台（LHAASO）μ子探测器光学特性的新方法，该方法也可用于其他实验。每个MD由一个圆柱形水切伦科夫检测器组成，带有一个含纯水的Tyvek内衬和一个安装在顶部的光电倍增管（PMT）。水切伦科夫探测器中PMT收集的光子的时间分布近似呈指数分布，其衰减因子由水中光子吸收长度、Tyvek内表面的反射率、内表面反射光子的平均反射步长以及反射Tyvek面积与总内表面积的比值决定。考虑到光子在水切伦科夫探测器中的传播原理，我们开发了新的方法来测量水的吸收长度，Tyvek反射率，和光子的平均步长。光子的步长可以通过测量在罐中产生多个单波长光子后撞击PMT的反射光子的时间分布来确定，其中内部Tyvek与总内部面积的比率略有不同。通过改变水的高度，PMT可以同时测量吸水长度和Tyvek反射率，同时也可以测量空气中的步长和Tyvek反射率。所提出的新方法得到了公式推导的支持，并通过GEANT4仿真和原型实验进行了验证。
2018-01-11 physics.app-ph physics.ins-det
Calculation of the Cherenkov light yield from low energetic secondary particles accompanying high-energy muons in ice and water with Geant 4 simulations
在这项工作中，我们调查和参数化的切伦科夫光子，这是由低能量的二次粒子（通常$\lesssim 500 $ \，兆电子伏），伴随着μ子在水或冰的轨道产生的量和角分布。这些次级粒子来自小能量损失过程。我们调查的贡献不同的能量损失过程的μ子能量和最大转移能量的函数。对于角分布的计算，我们已经开发了一个通用的变换方法，它使我们能够导出的角分布的Cherenkov光子的轨道方向和它们的速度的任意分布。
2012-11-14 astro-ph.HE astro-ph.IM physics.ins-det
Enhanced water Cherenkov detector for soil moisture detection
本研究评估了水切伦科夫探测器测量热中子的能力，通过NaCl掺杂增强捕获信号，并模拟验证其在现场条件下可实际用于土壤湿度监测，为精准农业提供低成本、无毒的新型传感方案。
2025-09-10 astro-ph.HE astro-ph.IM hep-ex
The Physics and Nuclear Nonproliferation Goals of WATCHMAN: A WAter CHerenkov Monitor for ANtineutrinos
本文介绍了WATCHMAN的物理和防扩散目标，水切伦科夫监测反中微子。WATCHMAN的基线设计是一个千吨级的掺钆（Gd）轻水切伦科夫探测器，放置在距离美国民用核反应堆13公里的地方。在第一个部署阶段，WATCHMAN将用于远程检测反应堆运行状态的变化，首次展示大型掺钆水探测器在未来国际核不扩散应用中用于远程反应堆监测的潜力。在其第一阶段，探测器将提供一个关键的大规模测试的能力，标记中子，从而区分低能电子中微子和反中微子。这将使WATCHMAN成为唯一能够提供超新星中微子方向和味道识别的探测器。它也将是第三大超新星探测器，也是西半球最大的地下探测器。在接下来的阶段中，采用IsoDAR中微子束，探测器将对无菌中微子签名和非标准电弱相互作用（NSI）具有世界级的灵敏度。WATCHMAN也将是一个主要的美国集成平台，用于与长基线中微子设施（LBNF）和其他未来大型探测器相关的一系列技术。本白皮书介绍了WATCHMAN的概念设计，并介绍了该项目的防扩散和物理目标的灵敏度的详细模拟结果。它还描述了将用于WATCHMAN的先进技术，包括高量子效率光电倍增管，水基液体闪烁器（WbLS），皮秒光传感器，如大面积皮秒光电探测器（LAPPD），以及先进的模式识别和粒子识别方法。
2015-02-04 hep-ex nucl-ex physics.ins-det
Study of water Cherenkov detector design for ground-based gamma-ray experiments
在SWGO实验的发展框架中，我们对基于水切伦科夫探测器阵列的广泛的空气簇射天文台的单个单元进行了详细的研究。事实上，SWGO的一种可能的水切伦科夫探测器单元配置由水箱组成，为了达到高探测效率和伽马射线和强子空气簇射之间的区分能力，正在研究不同的水箱设计。在这项研究中，我们考虑了双层坦克与几个大小，形状和数量的光电倍增管（PMT）。具有广泛空气簇射中的次级粒子的典型能量的μ子、电子和伽马射线已经被模拟以从0到60度的天顶距进入储罐。考虑由PMT产生的光电子的数量、检测效率和第一光子的测量的时间分辨率来评估槽响应。该分析允许比较具有不同尺寸、PMT配置以及具有圆形、六边形和正方形几何形状的坦克的性能。本文将讨论所使用的方法和结果。
2022-05-04 astro-ph.IM physics.ins-det
Tagging Spallation Backgrounds with Showers in Water-Cherenkov Detectors
宇宙射线μ子，特别是它们的次级介子分裂原子核（“spectrum”），产生快中子和β衰变同位素，这是低能实验的背景。在Super-Kamiokande中，这些β衰变是6- 18 MeV的主要背景，与太阳中微子和弥漫超新星中微子背景有关。在以前的论文中，我们表明，这些同位素主要是在阵雨中产生的，而不是孤立的。这解释了μ子切伦科夫光剖面中的一个峰值与spiral衰变之间的经验空间相关性，超级神冈德使用该空间相关性来开发新的spiral切割。然而，超级神冈测量的μ子光剖面与簇射物理学严重不一致。我们将展示如何解决这种差异，以及如何重建准确的配置文件的μ子和他们的淋浴从他们的切伦科夫光。我们提出了一个新的sparkle削减这些改进的配置文件的基础上，并量化其影响。我们的研究结果可以显着受益于超神冈的低能量研究，并将在较浅的深度，如拟议的超神冈探测器特别重要。
2015-11-23 astro-ph.HE hep-ex hep-ph
