【摘要】：根據(jù)QCD(Quantum Chromodynamics,量子色動力學(xué))的預(yù)測,如果溫度足夠高或者能量密度足夠大,強子物質(zhì)會轉(zhuǎn)變?yōu)镼GP(Quark Gluon Plasma,夸克膠子等離子)態(tài)。這種極端的高溫高密物質(zhì)形態(tài),在實驗室中,可以通過相對論重離子碰撞實現(xiàn)。尋找轉(zhuǎn)變的相邊界和臨界點,是當(dāng)前高能重離子物理領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。德國正在建造的FAIR(Facility for Antiproton and Ion Research)加速器上的CBM(Compressed Baryonic Matter)實驗,是有望實現(xiàn)這一目標(biāo)的主要實驗之一。CBM實驗預(yù)期于2025年首次物理運行取數(shù),工作在FAIR的SIS100加速器下,對應(yīng)的能量范圍在2-11 AGeV之間。為了獲得更高的重子數(shù)密度,CBM設(shè)計工作在固定靶模式下。在CBM實驗中,TOF(Time-of-Flight,飛行時間探測器)是實現(xiàn)粒子鑒別的關(guān)鍵子探測器系統(tǒng)。CBM TOF系統(tǒng)設(shè)計面積約120平方米。在這樣大的面積下,MRPC(Multi-gap Resistive Plate Chamber,多氣隙電阻板室)技術(shù)幾乎是唯一的選擇。作為一個高亮度的重離子打靶實驗,在前向?qū)a(chǎn)生極高的末態(tài)粒子通量,在TOF對應(yīng)的平面上,末態(tài)粒子計數(shù)率在0.1-100 kHz/cm2范圍內(nèi)。在占總面積超過50%的CBM-TOF的外圍區(qū)域,計數(shù)率～1 kHz/cm2,采用超薄浮法玻璃電極的MRPC是實現(xiàn)所需性能的最可行選擇。美國布魯克海文國家實驗室的RHIC(Relativistic Heavy Ion Collider,相對論重離子對撞機)加速器上的STAR(Solenoidal Tracker At RHIC)實驗,是目前正在運行的一個重要的相對論重離子實驗裝置。通過已經(jīng)完成的BES-I(Beam Energy Scan-Ⅰ,一期束流能量掃描),STAR已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了QGP存在的關(guān)鍵證據(jù)。為了對QCD相圖進行更精細(xì)的研究,STAR計劃在2019-2021年開展二期束流能量掃描(BES-Ⅱ),并在固定靶條件下運行取數(shù)。這要求在前向區(qū)域具有更好的徑跡、粒子分辨能力。因此,端蓋TOF(eTOF)成為STAR升級的關(guān)鍵探測器之一。根據(jù)CBM和STAR合作組達成的協(xié)議,部分CBM TOF MRPC安裝到STAR實驗,組成東端蓋TOF,提高STAR前向的粒子鑒別能力。STAR eTOF由36個模塊組成,包含108個MRPC,6912個讀出電子學(xué)通道。通過eTOF結(jié)合內(nèi)時間投影室的升級,可以把前向π/K粒子鑒別的能力從0.75提高到1.60 GeV/c,π/K/p鑒別能力從1.1提高到3.0 GeV/c。這對尋找QCDg一級相變及其臨界點至關(guān)重要。在國內(nèi)蘭州重離子研究裝置冷卻儲存環(huán)(Heavy Ion Research Facility in Lanzhou-Cooling Storage Ring)上的低溫高密度核物質(zhì)測量譜儀(CSR-External-Target-Facility Experiment,CEE)實驗,是中國第一個大規(guī)模重離子物理實驗裝置。CEE期望通過測量7T-/7T+比率(和其他相關(guān)的可觀測量),研究各種重離子碰撞系統(tǒng)的核對稱能的密度依賴性;在低溫和高凈重子密度區(qū)域,超飽和密度核狀態(tài)方程(EOS);以及高重子數(shù)密度下,量子色動力學(xué)(QCD)的相圖。在CEE的靶點附近,設(shè)計了一個新型的起點觸發(fā)(TO)探測器,為整個系統(tǒng)提供觸發(fā)、用來測量帶電粒子的多重數(shù)、角度分布和時間信息。這個TO探測器,將采用MRPC技術(shù)建造,它可以提供精確的對撞時間和對撞幾何信息。經(jīng)過二十余年的發(fā)展,MRPC已經(jīng)成為大面積高分辨飛行時間探測領(lǐng)域探測器的不二之選。MRPC具有低價、易于建造、易于組裝、并且有極好的時間分辨等優(yōu)勢,其本征時間分辨可達50 ps,在很寬的電壓坪下其效率高于95%。所有的優(yōu)勢都適合于重離子物理實驗,已經(jīng)或正在被大多數(shù)的重離子實驗所采用。本論文主要從下面三個方面,研究MRPC在高能量重離子實驗領(lǐng)域的應(yīng)用。1)CBM TOF MRPC3b型探測器的設(shè)計。CBM-TOF對MRPC的最大挑戰(zhàn)是計數(shù)率。盡管MRPC3b所在的外圍區(qū)域計數(shù)率～1 kHz/cm2,普通浮法玻璃電極的MRPC仍無法滿足此需求。通過降低玻璃電阻板的厚度,可以有效提高MRPC的計數(shù)率,但同時也對MRPC的設(shè)計和制作提出了更高的要求。CBM實驗面臨的另一挑戰(zhàn)是高通量下的無觸發(fā)數(shù)據(jù)獲取模式(free streaming),要求所有的探測器,盡可能降低假信號。對于MRPC來說,需要通過阻抗匹配設(shè)計,消除信號的反射本論文的研究工作重點針對這兩項關(guān)鍵需求,研究了提高計數(shù)率的方法和MRPC的阻抗性質(zhì),最終完成了MRPC3b原型探測器設(shè)計,宇宙線測試和束流測試結(jié)果顯示,各項性能滿足CBM-TOF的設(shè)計要求。2)CBM/STAR eTOF批量制作中的生產(chǎn)工藝和質(zhì)量控制方法。為了完成用于S-TAR eTOF的80個MRPC3b的批量制作和性能測試,論文期間研究并優(yōu)化了MRPC的批量制作工藝,建立了探測器和eTOF模塊的質(zhì)量控制(QC)和質(zhì)量保證(QA)方法。為確保探測器和eTOF模塊的性能,搭建了三套不同的測試系統(tǒng),同時應(yīng)用于宇宙線性能測試。在對測試結(jié)果的分析過程中,首次把徑跡重建的方法引入MRPC測試系統(tǒng),提高了測試結(jié)果的可靠性。為了便于質(zhì)量跟蹤,在CERN ROOT基礎(chǔ)上建立了批量制作的專用數(shù)據(jù)庫。目前,STAR eTOF已順利安裝完成,證明了生產(chǎn)工藝設(shè)計和質(zhì)量控制方法可行、可靠,為將來TOF系統(tǒng)工程建造奠定了堅實的基礎(chǔ)。3)CEE TO MRPC探測器的設(shè)計和研制。論文期間同時完成了CEE T0探測器從概念性設(shè)計到技術(shù)設(shè)計和制作的整個過程,分別利用強子束流和重離子束流測試了原型樣機的性能。通過模擬結(jié)果和實驗結(jié)果的對比,原型探測器的時間分辨好于50 ps。整個T0探測器系統(tǒng),包括電子學(xué)和探測器兩部分的定時性能滿足CEE實驗的要求。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O571.6


本文編號：2747319