相對論重離子實驗中的MRPC-TOF研制.pdf

1、相對論重離子物理是當今人類對物質(zhì)世界進行研究的最前沿。人類對宇宙的總體特征以及質(zhì)量起源等一系列重大問題的認識被確信與物質(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)生的相變過程相同，但方向相反。對夸克-等離子體狀態(tài)的研究需要具有相當高的能量的大型強子對撞機來實現(xiàn)。美國布魯克海文國家實驗室(BNL)的相對論重離子對撞機(RHIC)和CERN的大型強

2、子對撞機(LHC)的建設(shè)，為相對論下重離子對撞物理的研究提供了強有力的工具，能夠達到或超過理論模型預(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)，使得對粒子物理模型的驗證和發(fā)展更進一步的理論成為可能。 相對論重離子對撞將產(chǎn)生大量的末態(tài)粒子，這對探測器系統(tǒng)的粒子鑒別能力提出了新的挑戰(zhàn)。在RHIC/STAR和LHC/ALICE探測裝置上，都將采用飛行時間探測器(TOF)，通過對粒子飛行時間的測量，

3、結(jié)合其它探測器給出的粒子動量信息，來提高粒子鑒別的能力。作為飛行時問探測器，首先要具有很高的本征時間分辨和探測效率，同時必須能夠在對撞產(chǎn)生的高粒子通量環(huán)境下工作而性能不會降低。傳統(tǒng)的解決辦法是使用快閃爍體+光電倍增管的方案。由于相對論重離子對撞實驗的高粒子多重數(shù)(STAR實驗為每單位快度～1000個末態(tài)粒子，ALICE實驗預(yù)計每單位快度可達到8000個末態(tài)粒子)，即對探測器的粒度和讀出電子學通道提出了大量要求。能夠在探測器所處的強磁場環(huán)

4、境下工作的光電倍增管價格昂貴，大量的探測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。為了實現(xiàn)重離子對撞物理實驗中對粒子鑒別的要求，研制新型的高分辨的TOF探測器，人們開展了大量的研究，提出了一些新思想和新方法，特別是將氣體探測器引用到TOF中的新模式，為進一步拓寬氣體探測器的應(yīng)用領(lǐng)域，提高TOF的性能/價格比提供了一條新途徑。近年來一種具有晷浮電場內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多氣隙電阻板室(Multi-gapResistivePl

5、ateChambers，簡稱MPRC)使研制這種新型的高時間分辨TOF成為可能。 對具有平行板結(jié)構(gòu)的氣體探測器而言，減小板間的氣隙以減小雪崩發(fā)生的時間隨原初電離位置的變化，可以提高探測器的時間分辯。在這方面人們對各種結(jié)構(gòu)的氣體探測器開展研究，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、對最小電離粒子，時間分辨達到幾百ps，其輸出電荷僅為幾十fC，信噪比很低。MRPC采用多個子氣隙的結(jié)構(gòu)特點較好地解決了上述問題，探測器最終輸出的信號是各個子氣隙中感應(yīng)信號之和，降低了對電子學靈敏度的要求，同時也充分提高了探測效率。美國布魯克海文國家實驗室(BNL)STAR實驗組計劃用4000多塊類似結(jié)構(gòu)的MRPC建造飛行時間譜儀(TOF)，預(yù)計造價約是相同指標的常規(guī)閃爍體-光電倍增管TOF的1/5-1/10;在CERNLHC上的ALIC

7、E實驗也將采用大面積的MRPC建造飛行時間探測器，在～2個快度單位的接受度上提供0.5GeV/c到2.5GeV/c動量范圍內(nèi)的粒子鑒別。 在這篇論文中，綜述了ALICETOF和STARTOF組對MRPC工作原理和性能進行的研究，給出了理論計算和實驗測試得到的結(jié)果。 通過對單Cell結(jié)構(gòu)，多Cell讀出MRPC和雙層結(jié)構(gòu)的MRPC模型進行的實驗研究表明：其時間分辨和探測效率可以滿足TOF探測器的物理需求，但要將其應(yīng)用到大面

8、積的TOF上，有必要對其進行進一步的優(yōu)化。 通過對MRPC的工作機理的模擬研究，得到了MRPC的電荷譜分布。與實驗結(jié)果的對比證明：MRPC的探測效率、計數(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，氣隙問的電場降低，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，批量生產(chǎn)可以在較大的氣隙公差下進行，而不會對總體的性能產(chǎn)生影響。 為了提高MRPC在讀出條邊界上的性能，研究了電極材料表面電阻率對性能的影響，因為雪崩電荷的“footprint”會隨著電極電阻率的下降而增大。實驗結(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

10、系統(tǒng)對提高MRPC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)計和測試工作。采用這種為MRPC專門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。使用信號的時間寬度(TOT)代替信號幅度進行時間晃動修正，簡化了測試系統(tǒng)，并沒有對性能結(jié)果產(chǎn)生影響。參考CERN的ALICE/TOF組研制的方案，設(shè)計和制作了前端電子學電路。 對MRPC的制作工藝進行了優(yōu)化。為了得到

11、更加一致的性能，針對MRPC中用作氣隙問隔的魚絲的走向問題進行了研究，測試了采用不同的魚絲走向的MRPC的性能。采用錯開的鋸齒形走向，在沒有影響探測效率的情況下，時間分辨得到了提高。對高壓的連接和使用的材料進行了研究，對比實驗的結(jié)果表明，采用導電的膠水代替雙面膠碳膜進行高壓連接，探測效率和時間分辨性能都有明顯提高。 為了對MRPC的計數(shù)率能力進行研究，在CERN的GIF束流上進行了專門的測試。測試發(fā)現(xiàn)，在實際工作的高電場強度下，

12、MRPC的電阻板材料電阻率比在實驗室中測試的結(jié)果降低了1/4；通過把測試中的γ通量等效為帶電粒子通量，得到了MRPC的計數(shù)率能力可以達到1kHz/cm2。 在對MRPC的性能充分了解的基礎(chǔ)上，試制了一種位置靈敏的MRPC實驗原型，并對其性能進行了束流測試。在沿著和垂直于MRPC的讀出條方向的位置分辨分別達到4.5mm和1.6mm。利用這種結(jié)構(gòu)的MRPC，首次對雪崩電荷“footprint”的大小進行了定量的測試。這一工作進一步增