高時(shí)間分辨TOF探測(cè)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(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)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(cè)技術(shù)的發(fā)展對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究有著極大的促進(jìn)作用。利用越來(lái)越高能量和高粒子束流強(qiáng)度的加速器或?qū)ψ矙C(jī)，粒子物理實(shí)驗(yàn)要求快速的記錄愈來(lái)愈復(fù)雜的高事例率事例。飛行時(shí)間探測(cè)器(Time of Flight，TOF)通常是高能物理實(shí)驗(yàn)中探測(cè)器的重要組成部分，其主要用途是測(cè)量帶電粒子的飛行時(shí)間進(jìn)而實(shí)現(xiàn)粒子鑒別。高時(shí)間分辨測(cè)量

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

3、制，尤其是飛行時(shí)間測(cè)量技術(shù)和實(shí)驗(yàn)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(duì)兩種探測(cè)器的工作原理，性能測(cè)量，理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的研究結(jié)果。 BESIII端蓋飛行時(shí)間譜儀(End-cap Time-of-Flight，簡(jiǎn)稱：ETOF)由2×48個(gè)塑料閃爍探測(cè)器構(gòu)成，采用快時(shí)間響應(yīng)的塑料閃爍體和抗磁場(chǎng)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(dòng)量范同實(shí)現(xiàn)對(duì)π/

4、k介子20分辨，設(shè)計(jì)要求ETOF總時(shí)間分辨率達(dá)到110-120ps，包括：束團(tuán)時(shí)間的不確定性，起始時(shí)間測(cè)量的精度，電子學(xué)時(shí)間測(cè)量精度等，其中ETOF探測(cè)器的本征時(shí)間分辨要求達(dá)到80ps。 TOF本征時(shí)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(shí)間，光電倍增管中光電子的渡越時(shí)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(zhǎng)、光產(chǎn)額、幾何形狀、閃爍體的發(fā)光衰減長(zhǎng)度、光傳輸過(guò)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(shí)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(guò)程對(duì)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(méi)計(jì)方案，為了使探測(cè)器達(dá)到最佳本征時(shí)間分辯，設(shè)計(jì)和制作了特殊構(gòu)型的閃爍探測(cè)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(shí)驗(yàn)電子束測(cè)量了幾種包裝

6、材料對(duì)單個(gè)閃爍探測(cè)器模塊光收集和本征時(shí)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(shí)間分辨小于80ps；采用ESR材料包裝可獲得較大的輸出信號(hào)(相對(duì)于鋁包裝提高10％)，提高了探測(cè)器的性能。通過(guò)模擬光子在閃爍體內(nèi)的傳輸過(guò)程，對(duì)粒子擊中閃爍體不同位置時(shí)得到不同的時(shí)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(cè)器。在兩個(gè)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(chǎng)作用下，電阻板具有類似半導(dǎo)體的特性，使得各個(gè)電阻板的內(nèi)電場(chǎng)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(hào)變成若干小氣隙之間的小尺度的雪崩信號(hào)，這是以往氣體探測(cè)器從未有過(guò)的新現(xiàn)象。對(duì)這種氣體探測(cè)器的工作機(jī)制和探測(cè)技術(shù)有許多問(wèn)題亟待研究解決。LHC/ALICE和RICH/STAR實(shí)驗(yàn)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(gè)MRPC模塊的時(shí)間分辨好于100ps。 通過(guò)對(duì)MRPC的工作過(guò)程的模擬研究，得到了MRPC的電荷譜分布。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比證明，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(hào)收集效率使其輸出信號(hào)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(shí)驗(yàn)MRPC/TOF的制作中，對(duì)

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(shí)間分辨在邊界上得到改善，對(duì)Licron電極的表面電阻率穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)量，在長(zhǎng)時(shí)間放置后電阻率趨于穩(wěn)定；對(duì)雙層探測(cè)器室采用上下層魚(yú)線錯(cuò)開(kāi)的Z型繞法避免探測(cè)器的死區(qū)保持了探測(cè)效率等。 對(duì)MRPC樣品進(jìn)行了宇宙線和束流測(cè)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(cè)

10、試。在數(shù)據(jù)處理中采用了新的時(shí)間-TOT修止方法。研究了工作氣體對(duì)MRPC時(shí)間分辨的影響和讀出pad邊緣效應(yīng)等問(wèn)題。改進(jìn)后的測(cè)試結(jié)果表明：ALICE/TOF MRPC的時(shí)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(shí)驗(yàn)原型，并使用新的方法對(duì)其性能進(jìn)行研究，宇宙線測(cè)試的結(jié)果顯示，其時(shí)間分辨為達(dá)到35-40ps，探測(cè)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(shí)間分

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