高時間分辨TOF探測技術(shù)的研究.pdf

1、最近幾十年隨著粒子物理與核物理的發(fā)展，人們對物質(zhì)世界的認(rèn)識不斷深化，多種基本粒子的發(fā)現(xiàn)以及標(biāo)準(zhǔn)模型的建立就是最好的證明。而粒子探測技術(shù)的發(fā)展對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究有著極大的促進(jìn)作用。利用越來越高能量和高粒子束流強度的加速器或?qū)ψ矙C，粒子物理實驗要求快速的記錄愈來愈復(fù)雜的高事例率事例。飛行時間探測器(Time of Flight，TOF)通常是高能物理實驗中探測器的重要組成部分，其主要用途是測量帶電粒子的飛行時間進(jìn)而實現(xiàn)粒子鑒別。高時間分辨測量

2、技術(shù)及TOF的研究和發(fā)展一直是實驗物理學(xué)的重要課題。高時間分辨TOF技術(shù)包含：高時間分辨探測器研制：快電子學(xué)技術(shù)和讀出方法：以及實驗和數(shù)據(jù)處理技術(shù)。目前被用作TOF的探測器有主要有兩種：有機閃爍探測器和高時間分辨的氣體探測器。提高飛行時間探測器的本征時間分辨是提高整個飛行時間譜儀的時間分辨的關(guān)鍵。作者先后參加了BESIII/TOF閃爍體探測器，STAR/TOF和ALICE/TOF多氣隙電阻板室(MRPC)的研制工作，對兩種探測器的工作機

3、制，尤其是飛行時間測量技術(shù)和實驗方法進(jìn)行了大量的研究工作。在這篇論文中，綜述了我在三年的博七論文期間，對兩種探測器的工作原理，性能測量，理論計算和實驗數(shù)據(jù)分析的研究結(jié)果。 BESIII端蓋飛行時間譜儀(End-cap Time-of-Flight，簡稱：ETOF)由2×48個塑料閃爍探測器構(gòu)成，采用快時間響應(yīng)的塑料閃爍體和抗磁場的細(xì)柵型(fine-mash)光電倍增管(PMT)。其主要物理口標(biāo)是在1GeV/c動量范同實現(xiàn)對π/

4、k介子20分辨，設(shè)計要求ETOF總時間分辨率達(dá)到110-120ps，包括：束團時間的不確定性，起始時間測量的精度，電子學(xué)時間測量精度等，其中ETOF探測器的本征時間分辨要求達(dá)到80ps。 TOF本征時間分辨與閃爍體的性能和光電倍增管參數(shù)直接相關(guān)，主要由閃爍體的發(fā)光衰減時間，光電倍增管中光電子的渡越時間漲落和光電子數(shù)的大小決定。而光電子數(shù)與閃爍體發(fā)射光的波長、光產(chǎn)額、幾何形狀、閃爍體的發(fā)光衰減長度、光傳輸過程和光電倍增管的光譜響

5、應(yīng)及量了效率有關(guān)。當(dāng)閃爍體和光電倍增管性能確定后，TOF本征時間分辨主要由粒了擊中位置到光電倍增管的距離和光電了數(shù)決定，其中光傳輸過程對光電了數(shù)的影響與晶體幾何形狀和不同包裹材料的劉光吸收和反射特性有關(guān)。根據(jù)BESIII ETOF的沒計方案，為了使探測器達(dá)到最佳本征時間分辯，設(shè)計和制作了特殊構(gòu)型的閃爍探測器。研究了光電倍增管(R5924)和塑料閃爍體(BC404，BC408，EJ204．)的性能。使用800MeV實驗電子束測量了幾種包裝

6、材料對單個閃爍探測器模塊光收集和本征時間分辨的影響。結(jié)果顯示，在閃爍體一端加切45°斜面、采用EJ204和BC404晶體并使用Tyvek紙或者ESR包裝，ETOF時間分辨小于80ps；采用ESR材料包裝可獲得較大的輸出信號(相對于鋁包裝提高10％)，提高了探測器的性能。通過模擬光子在閃爍體內(nèi)的傳輸過程，對粒子擊中閃爍體不同位置時得到不同的時間分辨作了解釋。這些研究結(jié)果為確定ETOF工程方案提供了重要的依據(jù)。 MRPC是一種工作在雪崩模式

7、下的氣體探測器。在兩個電極之間插入若干具有一定電阻率的電阻板，電阻板處于懸浮電位，在高電場作用下，電阻板具有類似半導(dǎo)體的特性，使得各個電阻板的內(nèi)電場為零，電阻板上下表面處于相同的電位，這種特有的靜電學(xué)特征使得它可以將大間隙之間的大尺度的雪崩的信號變成若干小氣隙之間的小尺度的雪崩信號，這是以往氣體探測器從未有過的新現(xiàn)象。對這種氣體探測器的工作機制和探測技術(shù)有許多問題亟待研究解決。LHC/ALICE和RICH/STAR實驗都研制了MRPC/

8、TOF用于帶電粒予鑒別，要求具有全方位角的接收度和大跨度的中心快度區(qū)間，單個MRPC模塊的時間分辨好于100ps。 通過對MRPC的工作過程的模擬研究，得到了MRPC的電荷譜分布。與實驗結(jié)果的對比證明，由于MRPC采用多氣隙結(jié)構(gòu)，感應(yīng)輸出電荷是各氣隙雪崩電荷之和，增加了感應(yīng)信號收集效率使其輸出信號更接近高斯分布，較大的電荷量也使讀出pad邊界上的性能得到改善。 在參與STAR和ALICE實驗MRPC/TOF的制作中，對

9、制作工藝進(jìn)行了優(yōu)化，包括：使用表面電阻率大于1MΩ/square的Licron導(dǎo)電漆噴在玻璃板上代替200kΩ/square碳膜作為電極，使得MRPC的時間分辨在邊界上得到改善，對Licron電極的表面電阻率穩(wěn)定性進(jìn)行了測量，在長時間放置后電阻率趨于穩(wěn)定；對雙層探測器室采用上下層魚線錯開的Z型繞法避免探測器的死區(qū)保持了探測效率等。 對MRPC樣品進(jìn)行了宇宙線和束流測試。參與了ALICE/TOF新的前端電了學(xué)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的測

10、試。在數(shù)據(jù)處理中采用了新的時間-TOT修止方法。研究了工作氣體對MRPC時間分辨的影響和讀出pad邊緣效應(yīng)等問題。改進(jìn)后的測試結(jié)果表明：ALICE/TOF MRPC的時間分辨達(dá)劍40-60ps，好于100ps的預(yù)期目標(biāo)。在上述研究基礎(chǔ)上，試制了一種4×6氣隙的MRPC實驗原型，并使用新的方法對其性能進(jìn)行研究，宇宙線測試的結(jié)果顯示，其時間分辨為達(dá)到35-40ps，探測效率接近100％。這一結(jié)果是目前技術(shù)條件下MRPC所能達(dá)到的最好的時間分

11、辨，為發(fā)展的MRPC/TOF技術(shù)提供了新的實驗結(jié)果。 在論文研究期間，參與了意大利超高能宇宙線觀測實驗(EEE Project)項目探測器研制，該項目通過對地球表面上大范圍的宇宙線能量和徑跡的測量，研究廣延大氣簇射現(xiàn)象，要求探測裝置具有較大的探測區(qū)域(2m*1m)，良好的時間分辨(100-200ps)和空間分辨(<1cm)。為此，設(shè)計出一種大面積MRPC，使用新的長讀出條信號雙端引出方式，對其時間和位置性能進(jìn)行了多方面的實驗，