新型粒子探測器——多氣隙電阻板室的性能研究.pdf

1、高能重離子對撞物理是20世紀(jì)70年代以來形成的個新的研究領(lǐng)域，其目的是研究在相對論和極端相對論條件下，由核一核碰撞所產(chǎn)生的極端高溫，高密度核物質(zhì)的性質(zhì)，探測新的核物質(zhì)相。這種研究對人們了解粒子物理，核物理和有關(guān)宇宙形成及其演化都具有非常重要的意義。美國布魯克海汶國家實(shí)驗室(BNL)的相對論重離子對撞機(jī)(RHIC)能夠?qū)⑴鲎埠俗蛹铀俚綆装貵eV，目的是通過分析末態(tài)粒子攜帶的信息尋找夸克膠子等離子體(QGP)，進(jìn)一步研究和發(fā)現(xiàn)新物質(zhì)形態(tài)和新

2、粒子。RHIC-STAR探測器的物理目標(biāo)是研究高能量密度下強(qiáng)相互作用的物質(zhì)，尋找QGP。為了提高STAR探測器的粒子鑒別能力，中美雙方正在合作建造多氣隙電阻板室(MRPC)飛行時間譜儀(TOF)。MRPC具有探測效率高和時間分辨好等優(yōu)點(diǎn)，工作在雪崩模式下的MRPC具有幾百Hz/cm2的計數(shù)率能力，可以滿足粒子多重性探測要求。 該論文圍繞新型粒子探測器MRPC的基本性能研究，從4個方面展開詳細(xì)的分析和研究。分別從工作氣體環(huán)境的變化

3、，電極材料的變化，讀出電極尺寸的變化，以及幾何結(jié)構(gòu)變化等幾方面研究MRPC的基本性能，以進(jìn)一步了解掌握MRPC的工作機(jī)理和工作條件。本論文的全部實(shí)驗工作都是基于宇宙線測試完成的。 通過對MRPC的工作氣體溫度和氣體比分的變化對其性能的影響的研究，揭示了MRPC的雪崩過程對環(huán)境溫度和氣體比分的依賴性，為掌握MRPC運(yùn)行的物理機(jī)制提供了重要的數(shù)據(jù)，同時為MRPC的工作環(huán)境條件的控制提供了可靠的依據(jù)。工作氣體對MRPC性能的影響包括兩

4、個方面：工作氣體溫度的改變和氣體成分比例的改變。實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，隨著氣體溫度升高，MRPC的暗電流增加，噪聲呈指數(shù)上升，效率坪提前和平均電荷量增加。這些實(shí)驗現(xiàn)象和規(guī)律可以用MRPC的雪崩放大的增益隨溫度增加而增加來解釋。氣體溫度的升高造成原初電離密度變小，電子的平均自由程變大，電子的電離截面增加，有效湯生系數(shù)的增大，氣體增益變大，MRPC的信號幅度，噪聲，暗電流，效率都隨氣體增益的增大而增加。流氣式工作的MRPC，氣體壓強(qiáng)不變，氣體密度隨溫度

5、升高而變小，依賴E/ρ的氣體增益隨溫度升高而變大。在溫度變化較小時，論文工作提出可以用經(jīng)驗公式V=VαP0T/PT0來調(diào)整工作條件。不同氣體比分對MRPC性能的影響，主要由氣體本身的性質(zhì)決定，電子的平均自由程隨氟利昂在混和氣中的比分升高而減小，電子電離截面變小，湯生系數(shù)變小，電子漂移速度變慢，所以感應(yīng)信號幅度變小，MRPC的效率降低。即隨氟利昂比分增多，探測效率坪后移。本文計算了氣體溫度改變和不同氣體比分下的氣體參數(shù)，用蒙特卡羅方法模擬

6、了氣體條件改變時對MRPC特性的影響，模擬結(jié)果與實(shí)驗非常符合。通過實(shí)驗和模擬的結(jié)合分析，了解了工作環(huán)境對MRPC性能的影響本質(zhì)是氣體增益的變化，導(dǎo)致MRPC的性能隨之發(fā)生了變化。所以保證MRPC正常工作的前提是必須保證工作環(huán)境的穩(wěn)定合適，由此對工作環(huán)境的控制變得尤其重要。 為了研究電極材料的面電阻率對MRPC性能的影響，比較了兩種不同面電阻率電極的MRPC的性能。電極面電阻率對MRPC串?dāng)_(crosstalk)的影響來源于三個方

7、面，讀出條之間的電容耦合，感應(yīng)信號在電極上分布(footprint)的幾何尺寸，電子學(xué)的線路之間的串?dāng)_影響。本文主要對后兩方面加以研究。通過實(shí)驗和理論計算表明電極面電阻率大的電極材料的MRPC，信號之間的串?dāng)_較小，給出了明確的數(shù)值比較。兩種電極材料的MRPC的串?dāng)_隨甄別閾的減小都增大。進(jìn)一步研究結(jié)果表明串?dāng)_主要來自相鄰讀出條上言號之間的相互影響，而電予學(xué)線路間的影響較小。另外電極的面電阻率大，會使感應(yīng)信號更集中在某個小區(qū)域或某個讀出條上

8、，對旁邊讀出條的信號影響較小，即串?dāng)_較小。電極表面電阻率大的MRPC的其他基本性能宇宙線測試結(jié)果都很好。 為了研究MRPC的感應(yīng)信號在長讀出條上的分布，以及讀出條尺寸的改變對MRPC性能的影響，從實(shí)驗上給出了時間分辨隨讀出條位置的變化關(guān)系和信號在長讀出條上的傳輸速度。讀出條兩端的時間分辨可以達(dá)到100ps，與“標(biāo)準(zhǔn)”尺寸的MRPC時間分辨相當(dāng)。由于信號在讀出條上的反射，在讀出條中間部分的時間分辨變差到約130ps，這是因為反射信

9、號與真信號疊加在一起，疊加后的信號時間前沿變慢，造成時間分辨變差，在長讀出條的信號引出端，因為真信號和反射信號可以明顯的分開，所以時間分辨不受反射信號的影響，在讀出條的非信號引出端，真信號與反射信號在時間上基本相同，信號的疊加不會使信號時間前沿變慢很多，所以時間分辨也很好。信號在長320mm的讀出條上傳播時幅度沒有衰減。通過信號在讀出條上的傳輸時間與傳輸距離的對應(yīng)關(guān)系，計算出信號在讀出條上的傳輸速度約為50ps/cm。 通過對標(biāo)

10、準(zhǔn)6氣隙MRPC和雙模塊結(jié)構(gòu)的實(shí)驗研究，結(jié)果表明它們的時間分辨和探測效率都可以滿足TOF探測器的物理要求，相比較，雙模塊結(jié)構(gòu)的MRPC的探測效率更高，時間分辨更好，效率坪區(qū)更長。 綜合對MRPC基本性能的研究，給出一套宇宙線測試MRPC性能的參考標(biāo)準(zhǔn)：氣體：C2F4H2/iso-C4H10=95％/5％；環(huán)境溫度：22±50C暗電流：＜2nA；噪聲：＜50Hz/pad；時間分辨：＜120ps；探測效率：＞80％；雪崩信號比例：＞