基于LED与光纤的空气簇射阵列精确时间标定系统的研制

The precise arrival time measurement of the front of the air shower is essential to the experiments of the large air shower array, which is critical to the data reconstruction and physics analysis. All the large array experiments have own unique time calibration systems. And these time calibration systems have the following characteristics: a), the sub-detectors needed calibration are deployed in an large area which may be about several square kilometers, b),the amount of sub-detectors will be more than one thousand, c), the resolution of time offset between the sub-detectors is quite small, less than 1ns, d), since this system need be also deployed in the wild field, the reliability is required during the long-term operation. Therefore, a new time calibration system for this type of experiments is proposed. The LED and optical fibers are combined to many sets in an unique way, which could be calibrated each other in one cluster and cross calibrated between clusters. Finally, the precise time offset of all the sub-detectors in the array could be calibrated. This system have many advantages,such as simple idea, low cost, and long term stabiblity. With the help of NSFC's support, this time calibration system could be perfectly used to the experiments of the large air shower array.

在大型广延大气簇射阵列实验里,精确测量簇射前锋面的到达各个子探测器的时间差是最重要的测量物理量,对数据重建和物理分析起到关键作用。各个大型阵列实验项目都在发展各自独特的时间标定系统，它基本上具有的特点和难点是：各个需刻度的子探测器的分布较散，可以达到公里级，且数量达到数千之多；子探测器间的时间差测量精度要求非常高，要求达到亚纳秒级；另外，需要在野外一个长期运行的稳定性可靠性的要求。针对此类型的大面积广延大气簇射探测器阵列，综合各个实验的时间标定系统和结合 LHAASO项目，我们提出了一个新的时间标定方法：采用多套LED和光纤，它具有原理简单，成本较低，运行稳定可靠性高等诸多优势，可对子探测器进行各自标定和交叉标定，从而实现对整个阵列的各个子探测器间的时间差的准确刻度。通过该申请项目的支持，可确保该时间标定系统成熟应用到大面积广延大气簇射阵列实验中去。

在大型空气簇射阵列实验里,精确测量簇射前锋面的到达时间是实验研究里的最重要的测量物理量,对数据重建和物理分析起到关键作用。各个大型阵列实验项目都在发展各自独特的时间标定系统，它基本上具有的特点和难点是：各个需刻度的子探测器的分布较散，可以达到公里级，且数量达到数千之多；子探测器间的时间偏移量测量精度要求非常高，要求达到亚纳秒级；另外，需要在野外一个长期运行的稳定性可靠性的要求。.针对此类型的大面积水基切伦科夫探测器阵列，我们提出了一个新的时间标定方法：采用多套LED和光纤，可对子探测器进行各自标定和交叉标定，实现对各个子探测器间的绝对时间偏移量的准确刻度。.对于本套时间标定系统的研制，重点在于光源和光纤束的选择和质量控制，通过一些列的样品研制和试验，使之成为实际可以应用的一套系统，比如应用于高海拔宇宙线观测站的水切伦科夫探测器阵列，其单个水池面积有150m*150m。即使得我们的研究课题具有实际应用的意义。我们项目组通过多年的努力，解决了光源的选型，光强稳定性，均匀性，光纤束的输出光的一致性等一系列难点，制成了一套可以测量光纤束绝对时间差的装置，以及多个成套样品，验证了使用该系统，可以标定探测器阵列的时间差达到0.2ns精度以下。