宇宙线测试平台及高分辨MRPC技术研究

发布时间：2017-05-10 09:21

  本文关键词：宇宙线测试平台及高分辨MRPC技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：高分辨宇宙线测试平台是实验室条件下开展粒子探测器研发的重要基础。近年来发展起来的多气隙电阻板室(Multi-gap Resistive Plate Chambers,简称MRPC),具有高时间分辨,结构简单,可实现大面积探测器的制造,造价低廉等优点。基于MRPC技术构建大面积的宇宙线测试平台,面临许多需要研究解决的课题。为此,论文针对高时间分辨MRPC技术特点开展多方面的研究,内容涉及探测器模块设计和制作、快电子学放大技术、高性能的数据获取系统,以及实验数据处理方法。 作者在论文研究期间对高时间分辨MRPC技术及相关实验方法进行了深入的研究,参与不同结构的MRPC研制,并为不同的实验研制了多个宇宙线测试平台,包括：1)用作STAR μ子探测器(Muon Telescope Detector, MTD)的长读出条MRPC (LMRPC)的批量制作、测试及相关宇宙线测试平台研制；2)基于MRPC模型的大面积高分辨宇宙线测试平台的搭建以及宇宙线μ子一维成像相关实验方法研究；3)BESⅢ-ETOF升级MRPC研制及相关宇宙线测试平台研制。这些研究课题都是首次开展,并获得许多了新成果。 μ子由于不参与强相互作用,可以作为深入了解强相互作用QGP内部机制的探针。STAR谱仪在最外层增加μ子探测器,希望通过测量中心快度区几个GeV/c的μ子,实现QGP热辐射过程中di-g对、夸克偶素、光矢量介子、QGP以及Drell-Yan产生过程中可能存在的夸克胶子共振态等方面的测量与研究。这就要求MTD探测器对动量为几个GeV/c的μ子具有较好的探测效率与时间分辨,以及一定的位置分辨；同时还需要较大的探测面积(因为μ子探测器位于整个谱仪的最外层),因此MRPC技术被选择用于MTD。在进行u子鉴别时,通常把时间投影室(Time Projection Chamber, TPC)测量得到的粒子径迹外推到MTD探测器上,通过比较外推到MTD探测器上的径迹击中点与MTD本身读出的信号的位置,进行缪子判选。根据STAR的时间投影室重建径迹的方法,通过比较宇宙线μ子在TPC中留下的两段径迹外推到MTD上的动量大小,可以进一步提高u子鉴别的能力。物理运行的数据分析显示,MTD的时间分辨100ps,探测效率95%,位置分辨约1cm。综合电离能损判选,径迹外推匹配,飞行时间信息,可以实现纯净的缪子鉴别,STRA-MTD成为世界上首个采用定时MRPC技术的大面积μ子探测器阵列。科大高能物理实验室负责了其中50个探测器模块的制作及测试工作,作者参与了其中多个探测器模块的制作,并采用两个闪烁体配合四个光电倍增管的宇宙线测试平台方案结合基于MAX3760放大器的MRPC前端电子学系统对探测器性能进行了批量测试。在制作和测试过程中作者还对MRPC探测器的基本结构、制作工艺、工作原理、输出信号特点、读出电子学及相应的实验数据处理方法等方面进行了研究。 基于MAX3760放大器的前端电子学系统,需要利用ADC, TDC分别收集MRPC探测器的时间信息和幅度信息,这使得电子学系统较为复杂,多个MRPC模块的同时测试面临困难。为了简化实验系统,采用NINO芯片的前端电子学配合HPTDC的数据获取系统,建立了基于STAR-MTD LMRPC探测器的大面积高分辨宇宙线测试平台,通过对粒子击中位置和时间的同时测量,实现对宇宙线径迹的定位。该实验平台的性能达到：参考时间--40ps,二维位置分辨-6mm,探测效率95%,从而可以对待测探测器的时间分辨、位置分辨和探测效率进行更精确的测量。此外,作者还利用四层MRPC探测器构成的宇宙线测试系统,首次开展了宇宙线μ子成像的实验研究。 现有的BESIII-ETOF探测器采用EJ204闪烁体和R5924光电倍增管构成的系统,该ETOF系统对μ子、电子和π介子的时间分辨分别为110ps、148ps和138ps,π/K分辨可达1GeV/c (2σ)。由于电子在MDC和ETOF之间会发生多重散射,导致次级粒子在闪烁体(长度431mm)的上多重击中,使得击中位置与时间关系有较大的不确定性,从而影响时间分辨。MRPC具有很好的时间分辨性能(总分辨小于80ps),且其读出条宽度较小(25mm左右),可以有效的解决粒子多重击中的问题,预期采用MRPC技术升级后的ETOF系统的π/K分辨达到1.4GeV/c (2σ)。实验利用北京正负电子对撞机E3次级粒子束,对两种模型的MRPC原型进行了测试,确定了BESIII-ETOF升级MRPC探测器的设计方案。论文期间,作者主要承担了该探测器的批量制作及检测工作。为了获取待测探测器每根读出条的时间分辨,同时进行探测效率的测试,搭建了一套由闪烁探测器触发的MRPC望远镜测试系统,采用参考信号方法消除HPTDC内部时钟不同步的影响,实现了四个探测器模块的同时测量。 在研究期间,作者在密歇根大学(2011年4月到2012年12月)参与了频率扫描干涉测量方法研究。该研究是为国际直线对撞机(International Linear Collider, ILC)的径迹探测器定位而开展的RD项目。在该工作中研究和解决的问题包括以下几个方面：1)双通道双激光测量方法消除环境因素的干扰,实现距离测量精度～0.5μm；2)构造CCD相机系统与ACU-RITE系统的位置测量参照系统；3)改进激光出射单元,实现6通道测量,并将结果与CCD相机和ACU-RITE测得的结果对比。各个通道均实现了好于1μm精度的测量；4)利用角度定位方法进行几何计算,实现三通道对待测点进行二维坐标测量,精度在两个维度均好于1μm；5)进一步改进激光出射单元,同时改进原先的定位计算方法,采用模拟重建的方式进行二维及三维测量。x,y方向的定位精度好于1μm；z方向定位精度在2-3μm(z方向的精度受到轨道本身精度误差的影响)。实验结果完全可以满足SiD对径迹探测器定位所需要的精度。
【关键词】：宇宙线测试平台 高分辨MRPC技术 μ子成像 频率扫描干涉法
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O572.1
【目录】：

• 摘要5-8
• Abstract8-14
• 绪论14-28
• 第一章 宇宙线测试平台的工作原理与MRPC技术28-42
• 1.1 宇宙线测试平台的基本原理28-31
• 1.2 MRPC的基本工作原理31-32
• 1.3 MRPC输出信号的特点与MAX3760放大器32-36
• 1.4 基于NINO芯片与HPTDC的MRPC信号读出方法36-41
• 1.4.1 T-A修正与T-TOT修正36-37
• 1.4.2 N1NO ASIC芯片37-39
• 1.4.3 HPTDC时间测量系统介绍39-41
• 1.5 本章小结41-42
• 第二章 基于LMRPC技术的宇宙线测试平台的研制42-64
• 2.1 STAR-MTD研制计划42-43
• 2.2 STAR-MTD LMRPC的基本结构43-44
• 2.3 STAR-MTD LMRPC批量测试44-46
• 2.4 基于NINO芯片的MRPC前端电子学性能测试46-51
• 2.5 基于LMRPC技术宇宙线平台的构建51-53
• 2.6 LMRPC探测器的性能53
• 2.7 宇宙线平台的时间分辨53-57
• 2.8 宇宙线平台的位置分辨57-59
• 2.9 宇宙线散射实验与角分辨测量59-63
• 2.10 本章小结63-64
• 第三章 BESⅢ-ETOF升级计划及宇宙线测试平台搭建64-78
• 3.1 BESⅢ-ETOF升级计划64-74
• 3.1.1 BESⅢ-ETOF升级MRPC探测器结构65-68
• 3.1.2 BEPC E3试验束及相关MRPC测试系统68-69
• 3.1.3 不同高压下MRPC的性能69-72
• 3.1.4 读出条长度与击中位置对MRPC性能的影响72-73
• 3.1.5 BESⅢ-ETOF升级MRPC性能测试小结73-74
• 3.2 BESⅢ-ETOF升级MRPC批量测试74-78
• 3.2.1 闪烁体望远镜系统74-75
• 3.2.2 HPTDC时钟同步方法75-78
• 第四章 基于频率扫描干涉法的高精度坐标测量78-98
• 4.1 SiD硅径迹探测器阵列78-79
• 4.2 频率扫描干涉法原理79-81
• 4.3 双激光测量方法81-83
• 4.4 多通道测量的实现83-89
• 4.5 基于坐标重建方法的二维及三维测量89-95
• 4.5.1 利用Fiber-Launcher对距离测量单元的简化89-90
• 4.5.2 二维坐标重建方法及测试结果90-93
• 4.5.3 三维坐标重建方法及测试结果93-95
• 4.6 本章小结95-98
• 第五章 总结98-100
• 附录A MTD/MRPC探测器制作工艺100-106
• 附录B MRPC数据相关处理程序106-114
• 附录C 频率扫描干涉法相关数据处理程序114-122
• 参考文献122-130
• 致谢130-132
• 在读期间发表的学术论文132

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 庞洪超;刘森林;王红艳;杨宏伟;;宇宙射线μ子探测裂变核材料的模拟研究[J];辐射防护;2011年02期

2 张辉;邵明;李澄;陈宏芳;衡月昆;孙勇杰;唐泽波;姬长胜;陈天翔;杨帅;;A GEANT4 simulation study of BESⅢ endcap TOF upgrade[J];Chinese Physics C;2013年09期

3 孙勇杰;李澄;唐泽波;徐来林;陈天翔;邵明;;Beam test of signal cross-talk and transmission for LMPRC[J];中国物理C;2011年09期

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本文编号：354449