本文關鍵詞：宇宙線測試平臺及高分辨MRPC技術研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：高分辨宇宙線測試平臺是實驗室條件下開展粒子探測器研發(fā)的重要基礎。近年來發(fā)展起來的多氣隙電阻板室(Multi-gap Resistive Plate Chambers,簡稱MRPC),具有高時間分辨,結構簡單,可實現(xiàn)大面積探測器的制造,造價低廉等優(yōu)點�；贛RPC技術構建大面積的宇宙線測試平臺,面臨許多需要研究解決的課題。為此,論文針對高時間分辨MRPC技術特點開展多方面的研究,內容涉及探測器模塊設計和制作、快電子學放大技術、高性能的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng),以及實驗數(shù)據(jù)處理方法。 作者在論文研究期間對高時間分辨MRPC技術及相關實驗方法進行了深入的研究,參與不同結構的MRPC研制,并為不同的實驗研制了多個宇宙線測試平臺,包括：1)用作STAR μ子探測器(Muon Telescope Detector, MTD)的長讀出條MRPC (LMRPC)的批量制作、測試及相關宇宙線測試平臺研制；2)基于MRPC模型的大面積高分辨宇宙線測試平臺的搭建以及宇宙線μ子一維成像相關實驗方法研究；3)BESⅢ-ETOF升級MRPC研制及相關宇宙線測試平臺研制。這些研究課題都是首次開展,并獲得許多了新成果。 μ子由于不參與強相互作用,可以作為深入了解強相互作用QGP內部機制的探針。STAR譜儀在最外層增加μ子探測器,希望通過測量中心快度區(qū)幾個GeV/c的μ子,實現(xiàn)QGP熱輻射過程中di-g對、夸克偶素、光矢量介子、QGP以及Drell-Yan產生過程中可能存在的夸克膠子共振態(tài)等方面的測量與研究。這就要求MTD探測器對動量為幾個GeV/c的μ子具有較好的探測效率與時間分辨,以及一定的位置分辨；同時還需要較大的探測面積(因為μ子探測器位于整個譜儀的最外層),因此MRPC技術被選擇用于MTD。在進行u子鑒別時,通常把時間投影室(Time Projection Chamber, TPC)測量得到的粒子徑跡外推到MTD探測器上,通過比較外推到MTD探測器上的徑跡擊中點與MTD本身讀出的信號的位置,進行繆子判選。根據(jù)STAR的時間投影室重建徑跡的方法,通過比較宇宙線μ子在TPC中留下的兩段徑跡外推到MTD上的動量大小,可以進一步提高u子鑒別的能力。物理運行的數(shù)據(jù)分析顯示,MTD的時間分辨100ps,探測效率95%,位置分辨約1cm。綜合電離能損判選,徑跡外推匹配,飛行時間信息,可以實現(xiàn)純凈的繆子鑒別,STRA-MTD成為世界上首個采用定時MRPC技術的大面積μ子探測器陣列。科大高能物理實驗室負責了其中50個探測器模塊的制作及測試工作,作者參與了其中多個探測器模塊的制作,并采用兩個閃爍體配合四個光電倍增管的宇宙線測試平臺方案結合基于MAX3760放大器的MRPC前端電子學系統(tǒng)對探測器性能進行了批量測試。在制作和測試過程中作者還對MRPC探測器的基本結構、制作工藝、工作原理、輸出信號特點、讀出電子學及相應的實驗數(shù)據(jù)處理方法等方面進行了研究。 基于MAX3760放大器的前端電子學系統(tǒng),需要利用ADC, TDC分別收集MRPC探測器的時間信息和幅度信息,這使得電子學系統(tǒng)較為復雜,多個MRPC模塊的同時測試面臨困難。為了簡化實驗系統(tǒng),采用NINO芯片的前端電子學配合HPTDC的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng),建立了基于STAR-MTD LMRPC探測器的大面積高分辨宇宙線測試平臺,通過對粒子擊中位置和時間的同時測量,實現(xiàn)對宇宙線徑跡的定位。該實驗平臺的性能達到：參考時間--40ps,二維位置分辨-6mm,探測效率95%,從而可以對待測探測器的時間分辨、位置分辨和探測效率進行更精確的測量。此外,作者還利用四層MRPC探測器構成的宇宙線測試系統(tǒng),首次開展了宇宙線μ子成像的實驗研究。 現(xiàn)有的BESIII-ETOF探測器采用EJ204閃爍體和R5924光電倍增管構成的系統(tǒng),該ETOF系統(tǒng)對μ子、電子和π介子的時間分辨分別為110ps、148ps和138ps,π/K分辨可達1GeV/c (2σ)。由于電子在MDC和ETOF之間會發(fā)生多重散射,導致次級粒子在閃爍體(長度431mm)的上多重擊中,使得擊中位置與時間關系有較大的不確定性,從而影響時間分辨。MRPC具有很好的時間分辨性能(總分辨小于80ps),且其讀出條寬度較小(25mm左右),可以有效的解決粒子多重擊中的問題,預期采用MRPC技術升級后的ETOF系統(tǒng)的π/K分辨達到1.4GeV/c (2σ)。實驗利用北京正負電子對撞機E3次級粒子束,對兩種模型的MRPC原型進行了測試,確定了BESIII-ETOF升級MRPC探測器的設計方案。論文期間,作者主要承擔了該探測器的批量制作及檢測工作。為了獲取待測探測器每根讀出條的時間分辨,同時進行探測效率的測試,搭建了一套由閃爍探測器觸發(fā)的MRPC望遠鏡測試系統(tǒng),采用參考信號方法消除HPTDC內部時鐘不同步的影響,實現(xiàn)了四個探測器模塊的同時測量。 在研究期間,作者在密歇根大學(2011年4月到2012年12月)參與了頻率掃描干涉測量方法研究。該研究是為國際直線對撞機(International Linear Collider, ILC)的徑跡探測器定位而開展的RD項目。在該工作中研究和解決的問題包括以下幾個方面：1)雙通道雙激光測量方法消除環(huán)境因素的干擾,實現(xiàn)距離測量精度～0.5μm；2)構造CCD相機系統(tǒng)與ACU-RITE系統(tǒng)的位置測量參照系統(tǒng)；3)改進激光出射單元,實現(xiàn)6通道測量,并將結果與CCD相機和ACU-RITE測得的結果對比。各個通道均實現(xiàn)了好于1μm精度的測量；4)利用角度定位方法進行幾何計算,實現(xiàn)三通道對待測點進行二維坐標測量,精度在兩個維度均好于1μm；5)進一步改進激光出射單元,同時改進原先的定位計算方法,采用模擬重建的方式進行二維及三維測量。x,y方向的定位精度好于1μm；z方向定位精度在2-3μm(z方向的精度受到軌道本身精度誤差的影響)。實驗結果完全可以滿足SiD對徑跡探測器定位所需要的精度。
【關鍵詞】：宇宙線測試平臺 高分辨MRPC技術 μ子成像 頻率掃描干涉法
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O572.1
【目錄】：

• 摘要5-8
• Abstract8-14
• 緒論14-28
• 第一章 宇宙線測試平臺的工作原理與MRPC技術28-42
• 1.1 宇宙線測試平臺的基本原理28-31
• 1.2 MRPC的基本工作原理31-32
• 1.3 MRPC輸出信號的特點與MAX3760放大器32-36
• 1.4 基于NINO芯片與HPTDC的MRPC信號讀出方法36-41
• 1.4.1 T-A修正與T-TOT修正36-37
• 1.4.2 N1NO ASIC芯片37-39
• 1.4.3 HPTDC時間測量系統(tǒng)介紹39-41
• 1.5 本章小結41-42
• 第二章 基于LMRPC技術的宇宙線測試平臺的研制42-64
• 2.1 STAR-MTD研制計劃42-43
• 2.2 STAR-MTD LMRPC的基本結構43-44
• 2.3 STAR-MTD LMRPC批量測試44-46
• 2.4 基于NINO芯片的MRPC前端電子學性能測試46-51
• 2.5 基于LMRPC技術宇宙線平臺的構建51-53
• 2.6 LMRPC探測器的性能53
• 2.7 宇宙線平臺的時間分辨53-57
• 2.8 宇宙線平臺的位置分辨57-59
• 2.9 宇宙線散射實驗與角分辨測量59-63
• 2.10 本章小結63-64
• 第三章 BESⅢ-ETOF升級計劃及宇宙線測試平臺搭建64-78
• 3.1 BESⅢ-ETOF升級計劃64-74
• 3.1.1 BESⅢ-ETOF升級MRPC探測器結構65-68
• 3.1.2 BEPC E3試驗束及相關MRPC測試系統(tǒng)68-69
• 3.1.3 不同高壓下MRPC的性能69-72
• 3.1.4 讀出條長度與擊中位置對MRPC性能的影響72-73
• 3.1.5 BESⅢ-ETOF升級MRPC性能測試小結73-74
• 3.2 BESⅢ-ETOF升級MRPC批量測試74-78
• 3.2.1 閃爍體望遠鏡系統(tǒng)74-75
• 3.2.2 HPTDC時鐘同步方法75-78
• 第四章 基于頻率掃描干涉法的高精度坐標測量78-98
• 4.1 SiD硅徑跡探測器陣列78-79
• 4.2 頻率掃描干涉法原理79-81
• 4.3 雙激光測量方法81-83
• 4.4 多通道測量的實現(xiàn)83-89
• 4.5 基于坐標重建方法的二維及三維測量89-95
• 4.5.1 利用Fiber-Launcher對距離測量單元的簡化89-90
• 4.5.2 二維坐標重建方法及測試結果90-93
• 4.5.3 三維坐標重建方法及測試結果93-95
• 4.6 本章小結95-98
• 第五章 總結98-100
• 附錄A MTD/MRPC探測器制作工藝100-106
• 附錄B MRPC數(shù)據(jù)相關處理程序106-114
• 附錄C 頻率掃描干涉法相關數(shù)據(jù)處理程序114-122
• 參考文獻122-130
• 致謝130-132
• 在讀期間發(fā)表的學術論文132

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 龐洪超;劉森林;王紅艷;楊宏偉;;宇宙射線μ子探測裂變核材料的模擬研究[J];輻射防護;2011年02期

2 張輝;邵明;李澄;陳宏芳;衡月昆;孫勇杰;唐澤波;姬長勝;陳天翔;楊帥;;A GEANT4 simulation study of BESⅢ endcap TOF upgrade[J];Chinese Physics C;2013年09期

3 孫勇杰;李澄;唐澤波;徐來林;陳天翔;邵明;;Beam test of signal cross-talk and transmission for LMPRC[J];中國物理C;2011年09期

  本文關鍵詞：宇宙線測試平臺及高分辨MRPC技術研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：354449