相對(duì)論重離子實(shí)驗(yàn)中的MRPC-TOF研制.pdf

1、相對(duì)論重離子物理是當(dāng)今人類(lèi)對(duì)物質(zhì)世界進(jìn)行研究的最前沿。人類(lèi)對(duì)宇宙的總體特征以及質(zhì)量起源等一系列重大問(wèn)題的認(rèn)識(shí)被確信與物質(zhì)相變有關(guān)。在極高的溫度、密度狀態(tài)下，核物質(zhì)將發(fā)生夸克-膠子等離子體(QGP)的相變。這一過(guò)程與大爆炸理論預(yù)言的宇宙在最初的10-5s內(nèi)發(fā)生的相變過(guò)程相同，但方向相反。對(duì)夸克-等離子體狀態(tài)的研究需要具有相當(dāng)高的能量的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(BNL)的相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)(RHIC)和CERN的大型強(qiáng)

2、子對(duì)撞機(jī)(LHC)的建設(shè)，為相對(duì)論下重離子對(duì)撞物理的研究提供了強(qiáng)有力的工具，能夠達(dá)到或超過(guò)理論模型預(yù)言的相變發(fā)生的臨界溫度(～170MeV，相應(yīng)的能量密度為εc～1GeVfm-3)，使得對(duì)粒子物理模型的驗(yàn)證和發(fā)展更進(jìn)一步的理論成為可能。 相對(duì)論重離子對(duì)撞將產(chǎn)生大量的末態(tài)粒子，這對(duì)探測(cè)器系統(tǒng)的粒子鑒別能力提出了新的挑戰(zhàn)。在RHIC/STAR和LHC/ALICE探測(cè)裝置上，都將采用飛行時(shí)間探測(cè)器(TOF)，通過(guò)對(duì)粒子飛行時(shí)間的測(cè)量，

3、結(jié)合其它探測(cè)器給出的粒子動(dòng)量信息，來(lái)提高粒子鑒別的能力。作為飛行時(shí)問(wèn)探測(cè)器，首先要具有很高的本征時(shí)間分辨和探測(cè)效率，同時(shí)必須能夠在對(duì)撞產(chǎn)生的高粒子通量環(huán)境下工作而性能不會(huì)降低。傳統(tǒng)的解決辦法是使用快閃爍體+光電倍增管的方案。由于相對(duì)論重離子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)的高粒子多重?cái)?shù)(STAR實(shí)驗(yàn)為每單位快度～1000個(gè)末態(tài)粒子，ALICE實(shí)驗(yàn)預(yù)計(jì)每單位快度可達(dá)到8000個(gè)末態(tài)粒子)，即對(duì)探測(cè)器的粒度和讀出電子學(xué)通道提出了大量要求。能夠在探測(cè)器所處的強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)

4、境下工作的光電倍增管價(jià)格昂貴，大量的探測(cè)通道加大了建造成本的壓力，使得這種閃爍體+光電倍增管方案幾乎不可能。為了實(shí)現(xiàn)重離子對(duì)撞物理實(shí)驗(yàn)中對(duì)粒子鑒別的要求，研制新型的高分辨的TOF探測(cè)器，人們開(kāi)展了大量的研究，提出了一些新思想和新方法，特別是將氣體探測(cè)器引用到TOF中的新模式，為進(jìn)一步拓寬氣體探測(cè)器的應(yīng)用領(lǐng)域，提高TOF的性能/價(jià)格比提供了一條新途徑。近年來(lái)一種具有晷浮電場(chǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多氣隙電阻板室(Multi-gapResistivePl

5、ateChambers，簡(jiǎn)稱(chēng)MPRC)使研制這種新型的高時(shí)間分辨TOF成為可能。 對(duì)具有平行板結(jié)構(gòu)的氣體探測(cè)器而言，減小板間的氣隙以減小雪崩發(fā)生的時(shí)間隨原初電離位置的變化，可以提高探測(cè)器的時(shí)間分辯。在這方面人們對(duì)各種結(jié)構(gòu)的氣體探測(cè)器開(kāi)展研究，如小間隙多絲室(MGC)、電阻板室(RPC)等。但是減小氣隙使得原初電離離子數(shù)目和電子的漂移距離減小，從而探洲器輸出的感應(yīng)電荷減小。以大面積的RPC為例，氣隙減小到1mm，工作在正比模式下，

6、對(duì)最小電離粒子，時(shí)間分辨達(dá)到幾百ps，其輸出電荷僅為幾十fC，信噪比很低。MRPC采用多個(gè)子氣隙的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)較好地解決了上述問(wèn)題，探測(cè)器最終輸出的信號(hào)是各個(gè)子氣隙中感應(yīng)信號(hào)之和，降低了對(duì)電子學(xué)靈敏度的要求，同時(shí)也充分提高了探測(cè)效率。美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(BNL)STAR實(shí)驗(yàn)組計(jì)劃用4000多塊類(lèi)似結(jié)構(gòu)的MRPC建造飛行時(shí)間譜儀(TOF)，預(yù)計(jì)造價(jià)約是相同指標(biāo)的常規(guī)閃爍體-光電倍增管TOF的1/5-1/10;在CERNLHC上的ALIC

7、E實(shí)驗(yàn)也將采用大面積的MRPC建造飛行時(shí)間探測(cè)器，在～2個(gè)快度單位的接受度上提供0.5GeV/c到2.5GeV/c動(dòng)量范圍內(nèi)的粒子鑒別。 在這篇論文中，綜述了ALICETOF和STARTOF組對(duì)MRPC工作原理和性能進(jìn)行的研究，給出了理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的結(jié)果。 通過(guò)對(duì)單Cell結(jié)構(gòu)，多Cell讀出MRPC和雙層結(jié)構(gòu)的MRPC模型進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究表明：其時(shí)間分辨和探測(cè)效率可以滿足TOF探測(cè)器的物理需求，但要將其應(yīng)用到大面

8、積的TOF上，有必要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。 通過(guò)對(duì)MRPC的工作機(jī)理的模擬研究，得到了MRPC的電荷譜分布。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比證明：MRPC的探測(cè)效率、計(jì)數(shù)率能力、邊界上的性能與電荷譜分布緊密相關(guān)。空間電荷效應(yīng)的引入，揭示了MRPC在較高的工作電壓下仍工作在雪崩區(qū)而不發(fā)生流光的根本原因。氣隙寬度在220-280μm的范圍內(nèi)，MRPC的性能變化不大。雖然氣隙寬度變大，氣隙問(wèn)的電場(chǎng)降低，相應(yīng)的Townsend系數(shù)變小，但是雪崩發(fā)展經(jīng)歷

9、更長(zhǎng)的距離，抵消了Townsend系數(shù)變小引起的總雪崩電荷數(shù)的變化。這為MRPC的制作工藝提供了指導(dǎo)，批量生產(chǎn)可以在較大的氣隙公差下進(jìn)行，而不會(huì)對(duì)總體的性能產(chǎn)生影響。 為了提高M(jìn)RPC在讀出條邊界上的性能，研究了電極材料表面電阻率對(duì)性能的影響，因?yàn)檠┍离姾傻摹癴ootprint”會(huì)隨著電極電阻率的下降而增大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，大于1MΩ/□的表面電阻率可以有效減小“footprint”的大小，從而提高了邊界上的性能。 電子學(xué)

10、系統(tǒng)對(duì)提高M(jìn)RPC性能的重要作用。參加了ALICE/TOF放大甄別(ASIC芯片NINO)電路的設(shè)計(jì)和測(cè)試工作。采用這種為MRPC專(zhuān)門(mén)制作的放大甄別芯片，結(jié)合HPTDC數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，可以更加充分的發(fā)揮MRPC的性能。使用信號(hào)的時(shí)間寬度(TOT)代替信號(hào)幅度進(jìn)行時(shí)間晃動(dòng)修正，簡(jiǎn)化了測(cè)試系統(tǒng)，并沒(méi)有對(duì)性能結(jié)果產(chǎn)生影響。參考CERN的ALICE/TOF組研制的方案，設(shè)計(jì)和制作了前端電子學(xué)電路。 對(duì)MRPC的制作工藝進(jìn)行了優(yōu)化。為了得到

11、更加一致的性能，針對(duì)MRPC中用作氣隙問(wèn)隔的魚(yú)絲的走向問(wèn)題進(jìn)行了研究，測(cè)試了采用不同的魚(yú)絲走向的MRPC的性能。采用錯(cuò)開(kāi)的鋸齒形走向，在沒(méi)有影響探測(cè)效率的情況下，時(shí)間分辨得到了提高。對(duì)高壓的連接和使用的材料進(jìn)行了研究，對(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，采用導(dǎo)電的膠水代替雙面膠碳膜進(jìn)行高壓連接，探測(cè)效率和時(shí)間分辨性能都有明顯提高。 為了對(duì)MRPC的計(jì)數(shù)率能力進(jìn)行研究，在CERN的GIF束流上進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的測(cè)試。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際工作的高電場(chǎng)強(qiáng)度下，

12、MRPC的電阻板材料電阻率比在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試的結(jié)果降低了1/4；通過(guò)把測(cè)試中的γ通量等效為帶電粒子通量，得到了MRPC的計(jì)數(shù)率能力可以達(dá)到1kHz/cm2。 在對(duì)MRPC的性能充分了解的基礎(chǔ)上，試制了一種位置靈敏的MRPC實(shí)驗(yàn)原型，并對(duì)其性能進(jìn)行了束流測(cè)試。在沿著和垂直于MRPC的讀出條方向的位置分辨分別達(dá)到4.5mm和1.6mm。利用這種結(jié)構(gòu)的MRPC，首次對(duì)雪崩電荷“footprint”的大小進(jìn)行了定量的測(cè)試。這一工作進(jìn)一步增