20英寸光电倍增管光学响应模型研究

Photo-multiplier tube (PMT), as a common optical detection device, is widely used in many particle physics experiments. The lack of a reliable PMT optical model has become a bottleneck which is restricting the improvement of the accuracy of the JUNO detector simulation. It also directly impacts on the quality and output of JUNO physical results. The aim of this project is to establish the most precise 20 inch PMT optical response model for JUNO experiment, which not only benefit JUNO experiment, but also provide valuable help for other PMT based projects. The research contents of this project include the study of PMT optical parameters at different wavelengths, the study of reflective photo-cathode contribution, the modeling of PMT non-uniformity and differences among PMTs, the study of collection efficiency and the description of PMT characteristics. Through the study of this project, we expect that the accuracy of the PMT optical model is better than 1%, and is in the leading position in the world.

光电倍增管(PMT)作为一种常用的光探测器件，被广泛应用于诸多粒子物理实验中。缺乏一个可靠的PMT光学响应模型已经成为制约江门中微子实验(JUNO)探测器模拟精度提高的瓶颈，直接关系着JUNO物理结果的质量和产出。本项目旨在为JUNO实验建立一套国际上最为精细的20英寸PMT光学响应模型，不仅使JUNO实验受益，还可以为国际上其它基于PMT的实验项目提供有价值的帮助。本项目的研究内容包含不同波长下PMT光学参数研究，反射式光阴极贡献研究、PMT响应非均匀性和不同PMT间响应差别模型建立，收集效率研究和PMT响应特征描述等几个方面。通过对本项目的研究，我们期望PMT光学响应模型的精度好于1%，使之处于国际领先地位。

江门中微子实验（JUNO）采用2万吨液体闪烁体和近18000只20英寸光电倍增管（PMT）用来探测来自53公里外的反应堆中微子，拟解决中微子质量顺序这一重大科学问题。精细探测器模拟是实现这一物理目标的前提和保障，而建立一个可靠的20英寸PMT光学响应模型是获得精细探测器模拟的关键。本项目旨在为JUNO建立一套国际上最为精细的20英寸PMT光学响应模型，主要包括5项研究内容：不同波长下PMT光学参数研究；反射式光阴极贡献研究；PMT非均匀性和不同PMT响应差别模型建立；收集效率研究和PMT电学响应特征描述。至本项目执行期结束，项目组成员已经完成全部研究内容，建立了国际上首个20英寸PMT光学响应模型。与已有的其它类型PMT光学模型相比，新PMT光学模型不仅考虑了光子与光阴极的相互作用，还考虑了光子在PMT内部传输过程对探测效率的贡献，因此，具有更高的精度。本项目研究结果表明，新PMT光学模型在JUNO探测器内的整体精度好于0.27%，达到了本项目好于1%的预期目标。目前，该模型已经被JUNO合作组所采纳，应用在JUNO探测器模拟软件中。此外，该模型还为过去诸多大型液闪实验的光电子产额增加之谜（实验观测的光电子产额比模拟预期高20%-30%）提供了合理的解释，为将来基于PMT的各类实验项目的探测器设计和预研提供了重要的指导和参考。