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高时间分辨TOF探测技术的研究

安少辉  
【摘要】: 最近几十年随着粒子物理与核物理的发展,人们对物质世界的认识不断深化,多种基本粒子的发现以及标准模型的建立就是最好的证明。而粒子探测技术的发展对物质结构的研究有着极大的促进作用。利用越来越高能量和高粒子束流强度的加速器或对撞机,粒子物理实验要求快速的记录愈来愈复杂的高事例率事例。飞行时间探测器(Time of Flight,TOF)通常是高能物理实验中探测器的重要组成部分,其主要用途是测量带电粒子的飞行时间进而实现粒子鉴别。高时间分辨测量技术及TOF的研究和发展一直是实验物理学的重要课题。高时间分辨TOF技术包含:高时间分辨探测器研制;快电子学技术和读出方法;以及实验和数据处理技术。目前被用作TOF的探测器有主要有两种:有机闪烁探测器和高时间分辨的气体探测器。提高飞行时间探测器的本征时间分辨是提高整个飞行时间谱仪的时间分辨的关键。作者先后参加了BESIII/TOF闪烁体探测器,STAR/TOF和ALICE/TOF多气隙电阻板室(MRPC)的研制工作,对两种探测器的工作机制,尤其是飞行时间测量技术和实验方法进行了大量的研究工作。在这篇论文中,综述了我在三年的博士论文期间,对两种探测器的工作原理,性能测量,理论计算和实验数据分析的研究结果。 BESIII端盖飞行时间谱仪(End-cap Time-of-Flight,简称:ETOF)由2×48个塑料闪烁探测器构成,采用快时间响应的塑料闪烁体和抗磁场的细栅型(fine-mash)光电倍增管(PMT)。其主要物理目标是在1GeV/c动量范围实现对π/k介子2σ分辨,设计要求ETOF总时间分辨率达到110-120ps,包括:束团时间的不确定性,起始时间测量的精度,电子学时间测量精度等,其中ETOF探测器的本征时间分辨要求达到80ps。 TOF本征时间分辨与闪烁体的性能和光电倍增管参数直接相关,主要由闪烁体的发光衰减时间,光电倍增管中光电子的渡越时间涨落和光电子数的大小决定。而光电子数与闪烁体发射光的波长、光产额、几何形状、闪烁体的发光衰减长度、光传输过程和光电倍增管的光谱响应及量子效率有关。当闪烁体和光电倍增管性能确定后,TOF本征时间分辨主要由粒子击中位置到光电倍增管的距离和光电子数决定,其中光传输过程对光电子数的影响与晶体几何形状和不同包裹材料的对光吸收和反射特性有关。根据BESIII ETOF的设计方案,为了使探测器达到最佳本征时间分辩,设计和制作了特殊构型的闪烁探测器。研究了光电倍增管(R5924)和塑料闪烁体(BC404,BC408,EJ204)的性能。使用800MeV实验电子束测量了几种包装材料对单个闪烁探测器模块光收集和本征时间分辨的影响。结果显示,在闪烁体一端加切45°斜面、采用EJ204和BC404晶体并使用Tyvek纸或者ESR包装,ETOF时间分辨小于80ps;采用ESR材料包装可获得较大的输出信号(相对于铝包装提高10%),提高了探测器的性能。通过模拟光子在闪烁体内的传输过程,对粒子击中闪烁体不同位置时得到不同的时间分辨作了解释。这些研究结果为确定ETOF工程方案提供了重要的依据。 MRPC是一种工作在雪崩模式下的气体探测器。在两个电极之间插入若干具有一定电阻率的电阻板,电阻板处于悬浮电位,在高电场作用下,电阻板具有类似半导体的特性,使得各个电阻板的内电场为零,电阻板上下表面处于相同的电位,这种特有的静电学特征使得它可以将大间隙之间的大尺度的雪崩的信号变成若干小气隙之间的小尺度的雪崩信号,这是以往气体探测器从未有过的新现象。对这种气体探测器的工作机制和探测技术有许多问题亟待研究解决。LHC/ALICE和RICH/STAR实验都研制了MRPC/TOF用于带电粒子鉴别,要求具有全方位角的接收度和大跨度的中心快度区间,单个MRPC模块的时间分辨好于100ps。 通过对MRPC的工作过程的模拟研究,得到了MRPC的电荷谱分布。与实验结果的对比证明,由于MRPC采用多气隙结构,感应输出电荷是各气隙雪崩电荷之和,增加了感应信号收集效率使其输出信号更接近高斯分布,较大的电荷量也使读出pad边界上的性能得到改善。 在参与STAR和ALICE实验MRPC/TOF的制作中,对制作工艺进行了优化,包括:使用表面电阻率大于1MΩ/square的Licron导电漆喷在玻璃板上代替200kΩ/square碳膜作为电极,使得MRPC的时间分辨在边界上得到改善,对Licron电极的表面电阻率稳定性进行了测量,在长时间放置后电阻率趋于稳定;对双层探测器室采用上下层鱼线错开的Z型绕法避免探测器的死区保持了探测效率等。 对MRPC样品进行了宇宙线和束流测试。参与了ALICE/TOF新的前端电子学系统和数据获取系统的测试。在数据处理中采用了新的时间-TOT修正方法。研究了工作气体对MRPC时间分辨的影响和读出pad边缘效应等问题。改进后的测试结果表明:ALICE/TOF MRPC的时间分辨达到40-60ps,好于100ps的预期目标。 在上述研究基础上,试制了一种4×6气隙的MRPC实验原型,并使用新的方法对其性能进行研究,宇宙线测试的结果显示,其时间分辨为达到35-40ps,探测效率接近100%。这一结果是目前技术条件下MRPC所能达到的最好的时间分辨,为发展的MRPC/TOF技术提供了新的实验结果。 在论文研究期间,参与了意大利超高能宇宙线观测实验(EEE Project)项目探测器研制,该项目通过对地球表面上大范围的宇宙线能量和径迹的测量,研究广延大气簇射现象,要求探测装置具有较大的探测区域(2m*1m),良好的时间分辨(100-200ps)和空间分辨(<1cm)。为此,设计出一种大面积MRPC,使用新的长读出条信号双端引出方式,对其时间和位置性能进行了多方面的实验,研究了感应信号在长读出条上传输时间的误差修正方法。其性能达到:时间分辨为75ps,沿读出条方向的位置分辨3-6mm。使用这种MRPC成功建立了一套完整的宇宙线测试系统,现已开始使用。


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