本文關(guān)鍵詞：宇宙線測(cè)試平臺(tái)及高分辨MRPC技術(shù)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：高分辨宇宙線測(cè)試平臺(tái)是實(shí)驗(yàn)室條件下開(kāi)展粒子探測(cè)器研發(fā)的重要基礎(chǔ)。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的多氣隙電阻板室(Multi-gap Resistive Plate Chambers,簡(jiǎn)稱MRPC),具有高時(shí)間分辨,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可實(shí)現(xiàn)大面積探測(cè)器的制造,造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)�；贛RPC技術(shù)構(gòu)建大面積的宇宙線測(cè)試平臺(tái),面臨許多需要研究解決的課題。為此,論文針對(duì)高時(shí)間分辨MRPC技術(shù)特點(diǎn)開(kāi)展多方面的研究,內(nèi)容涉及探測(cè)器模塊設(shè)計(jì)和制作、快電子學(xué)放大技術(shù)、高性能的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng),以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法。 作者在論文研究期間對(duì)高時(shí)間分辨MRPC技術(shù)及相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了深入的研究,參與不同結(jié)構(gòu)的MRPC研制,并為不同的實(shí)驗(yàn)研制了多個(gè)宇宙線測(cè)試平臺(tái),包括：1)用作STAR μ子探測(cè)器(Muon Telescope Detector, MTD)的長(zhǎng)讀出條MRPC (LMRPC)的批量制作、測(cè)試及相關(guān)宇宙線測(cè)試平臺(tái)研制；2)基于MRPC模型的大面積高分辨宇宙線測(cè)試平臺(tái)的搭建以及宇宙線μ子一維成像相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法研究；3)BESⅢ-ETOF升級(jí)MRPC研制及相關(guān)宇宙線測(cè)試平臺(tái)研制。這些研究課題都是首次開(kāi)展,并獲得許多了新成果。 μ子由于不參與強(qiáng)相互作用,可以作為深入了解強(qiáng)相互作用QGP內(nèi)部機(jī)制的探針。STAR譜儀在最外層增加μ子探測(cè)器,希望通過(guò)測(cè)量中心快度區(qū)幾個(gè)GeV/c的μ子,實(shí)現(xiàn)QGP熱輻射過(guò)程中di-g對(duì)、夸克偶素、光矢量介子、QGP以及Drell-Yan產(chǎn)生過(guò)程中可能存在的夸克膠子共振態(tài)等方面的測(cè)量與研究。這就要求MTD探測(cè)器對(duì)動(dòng)量為幾個(gè)GeV/c的μ子具有較好的探測(cè)效率與時(shí)間分辨,以及一定的位置分辨；同時(shí)還需要較大的探測(cè)面積(因?yàn)棣套犹綔y(cè)器位于整個(gè)譜儀的最外層),因此MRPC技術(shù)被選擇用于MTD。在進(jìn)行u子鑒別時(shí),通常把時(shí)間投影室(Time Projection Chamber, TPC)測(cè)量得到的粒子徑跡外推到MTD探測(cè)器上,通過(guò)比較外推到MTD探測(cè)器上的徑跡擊中點(diǎn)與MTD本身讀出的信號(hào)的位置,進(jìn)行繆子判選。根據(jù)STAR的時(shí)間投影室重建徑跡的方法,通過(guò)比較宇宙線μ子在TPC中留下的兩段徑跡外推到MTD上的動(dòng)量大小,可以進(jìn)一步提高u子鑒別的能力。物理運(yùn)行的數(shù)據(jù)分析顯示,MTD的時(shí)間分辨100ps,探測(cè)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(shí)間信息,可以實(shí)現(xiàn)純凈的繆子鑒別,STRA-MTD成為世界上首個(gè)采用定時(shí)MRPC技術(shù)的大面積μ子探測(cè)器陣列�？拼蟾吣芪锢韺�(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)了其中50個(gè)探測(cè)器模塊的制作及測(cè)試工作,作者參與了其中多個(gè)探測(cè)器模塊的制作,并采用兩個(gè)閃爍體配合四個(gè)光電倍增管的宇宙線測(cè)試平臺(tái)方案結(jié)合基于MAX3760放大器的MRPC前端電子學(xué)系統(tǒng)對(duì)探測(cè)器性能進(jìn)行了批量測(cè)試。在制作和測(cè)試過(guò)程中作者還對(duì)MRPC探測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)、制作工藝、工作原理、輸出信號(hào)特點(diǎn)、讀出電子學(xué)及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法等方面進(jìn)行了研究。 基于MAX3760放大器的前端電子學(xué)系統(tǒng),需要利用ADC, TDC分別收集MRPC探測(cè)器的時(shí)間信息和幅度信息,這使得電子學(xué)系統(tǒng)較為復(fù)雜,多個(gè)MRPC模塊的同時(shí)測(cè)試面臨困難。為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),采用NINO芯片的前端電子學(xué)配合HPTDC的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng),建立了基于STAR-MTD LMRPC探測(cè)器的大面積高分辨宇宙線測(cè)試平臺(tái),通過(guò)對(duì)粒子擊中位置和時(shí)間的同時(shí)測(cè)量,實(shí)現(xiàn)對(duì)宇宙線徑跡的定位。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的性能達(dá)到：參考時(shí)間--40ps,二維位置分辨-6mm,探測(cè)效率95%,從而可以對(duì)待測(cè)探測(cè)器的時(shí)間分辨、位置分辨和探測(cè)效率進(jìn)行更精確的測(cè)量。此外,作者還利用四層MRPC探測(cè)器構(gòu)成的宇宙線測(cè)試系統(tǒng),首次開(kāi)展了宇宙線μ子成像的實(shí)驗(yàn)研究。 現(xiàn)有的BESIII-ETOF探測(cè)器采用EJ204閃爍體和R5924光電倍增管構(gòu)成的系統(tǒng),該ETOF系統(tǒng)對(duì)μ子、電子和π介子的時(shí)間分辨分別為110ps、148ps和138ps,π/K分辨可達(dá)1GeV/c (2σ)。由于電子在MDC和ETOF之間會(huì)發(fā)生多重散射,導(dǎo)致次級(jí)粒子在閃爍體(長(zhǎng)度431mm)的上多重?fù)糁?使得擊中位置與時(shí)間關(guān)系有較大的不確定性,從而影響時(shí)間分辨。MRPC具有很好的時(shí)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?fù)糁械膯?wèn)題,預(yù)期采用MRPC技術(shù)升級(jí)后的ETOF系統(tǒng)的π/K分辨達(dá)到1.4GeV/c (2σ)。實(shí)驗(yàn)利用北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)E3次級(jí)粒子束,對(duì)兩種模型的MRPC原型進(jìn)行了測(cè)試,確定了BESIII-ETOF升級(jí)MRPC探測(cè)器的設(shè)計(jì)方案。論文期間,作者主要承擔(dān)了該探測(cè)器的批量制作及檢測(cè)工作。為了獲取待測(cè)探測(cè)器每根讀出條的時(shí)間分辨,同時(shí)進(jìn)行探測(cè)效率的測(cè)試,搭建了一套由閃爍探測(cè)器觸發(fā)的MRPC望遠(yuǎn)鏡測(cè)試系統(tǒng),采用參考信號(hào)方法消除HPTDC內(nèi)部時(shí)鐘不同步的影響,實(shí)現(xiàn)了四個(gè)探測(cè)器模塊的同時(shí)測(cè)量。 在研究期間,作者在密歇根大學(xué)(2011年4月到2012年12月)參與了頻率掃描干涉測(cè)量方法研究。該研究是為國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)(International Linear Collider, ILC)的徑跡探測(cè)器定位而開(kāi)展的RD項(xiàng)目。在該工作中研究和解決的問(wèn)題包括以下幾個(gè)方面：1)雙通道雙激光測(cè)量方法消除環(huán)境因素的干擾,實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量精度～0.5μm；2)構(gòu)造CCD相機(jī)系統(tǒng)與ACU-RITE系統(tǒng)的位置測(cè)量參照系統(tǒng)；3)改進(jìn)激光出射單元,實(shí)現(xiàn)6通道測(cè)量,并將結(jié)果與CCD相機(jī)和ACU-RITE測(cè)得的結(jié)果對(duì)比。各個(gè)通道均實(shí)現(xiàn)了好于1μm精度的測(cè)量；4)利用角度定位方法進(jìn)行幾何計(jì)算,實(shí)現(xiàn)三通道對(duì)待測(cè)點(diǎn)進(jìn)行二維坐標(biāo)測(cè)量,精度在兩個(gè)維度均好于1μm；5)進(jìn)一步改進(jìn)激光出射單元,同時(shí)改進(jìn)原先的定位計(jì)算方法,采用模擬重建的方式進(jìn)行二維及三維測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果完全可以滿足SiD對(duì)徑跡探測(cè)器定位所需要的精度。
【關(guān)鍵詞】：宇宙線測(cè)試平臺(tái) 高分辨MRPC技術(shù) μ子成像 頻率掃描干涉法
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O572.1
【目錄】：

• 摘要5-8
• Abstract8-14
• 緒論14-28
• 第一章 宇宙線測(cè)試平臺(tái)的工作原理與MRPC技術(shù)28-42
• 1.1 宇宙線測(cè)試平臺(tái)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(hào)的特點(diǎn)與MAX3760放大器32-36
• 1.4 基于NINO芯片與HPTDC的MRPC信號(hào)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(shí)間測(cè)量系統(tǒng)介紹39-41
• 1.5 本章小結(jié)41-42
• 第二章 基于LMRPC技術(shù)的宇宙線測(cè)試平臺(tái)的研制42-64
• 2.1 STAR-MTD研制計(jì)劃42-43
• 2.2 STAR-MTD LMRPC的基本結(jié)構(gòu)43-44
• 2.3 STAR-MTD LMRPC批量測(cè)試44-46
• 2.4 基于NINO芯片的MRPC前端電子學(xué)性能測(cè)試46-51
• 2.5 基于LMRPC技術(shù)宇宙線平臺(tái)的構(gòu)建51-53
• 2.6 LMRPC探測(cè)器的性能53
• 2.7 宇宙線平臺(tái)的時(shí)間分辨53-57
• 2.8 宇宙線平臺(tái)的位置分辨57-59
• 2.9 宇宙線散射實(shí)驗(yàn)與角分辨測(cè)量59-63
• 2.10 本章小結(jié)63-64
• 第三章 BESⅢ-ETOF升級(jí)計(jì)劃及宇宙線測(cè)試平臺(tái)搭建64-78
• 3.1 BESⅢ-ETOF升級(jí)計(jì)劃64-74
• 3.1.1 BESⅢ-ETOF升級(jí)MRPC探測(cè)器結(jié)構(gòu)65-68
• 3.1.2 BEPC E3試驗(yàn)束及相關(guān)MRPC測(cè)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(zhǎng)度與擊中位置對(duì)MRPC性能的影響72-73
• 3.1.5 BESⅢ-ETOF升級(jí)MRPC性能測(cè)試小結(jié)73-74
• 3.2 BESⅢ-ETOF升級(jí)MRPC批量測(cè)試74-78
• 3.2.1 閃爍體望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)74-75
• 3.2.2 HPTDC時(shí)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(biāo)測(cè)量78-98
• 4.1 SiD硅徑跡探測(cè)器陣列78-79
• 4.2 頻率掃描干涉法原理79-81
• 4.3 雙激光測(cè)量方法81-83
• 4.4 多通道測(cè)量的實(shí)現(xiàn)83-89
• 4.5 基于坐標(biāo)重建方法的二維及三維測(cè)量89-95
• 4.5.1 利用Fiber-Launcher對(duì)距離測(cè)量單元的簡(jiǎn)化89-90
• 4.5.2 二維坐標(biāo)重建方法及測(cè)試結(jié)果90-93
• 4.5.3 三維坐標(biāo)重建方法及測(cè)試結(jié)果93-95
• 4.6 本章小結(jié)95-98
• 第五章 總結(jié)98-100
• 附錄A MTD/MRPC探測(cè)器制作工藝100-106
• 附錄B MRPC數(shù)據(jù)相關(guān)處理程序106-114
• 附錄C 頻率掃描干涉法相關(guān)數(shù)據(jù)處理程序114-122
• 參考文獻(xiàn)122-130
• 致謝130-132
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文132

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前3條

1 龐洪超;劉森林;王紅艷;楊宏偉;;宇宙射線μ子探測(cè)裂變核材料的模擬研究[J];輻射防護(hù);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(zhǎng)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(lái)林;陳天翔;邵明;;Beam test of signal cross-talk and transmission for LMPRC[J];中國(guó)物理C;2011年09期

  本文關(guān)鍵詞：宇宙線測(cè)試平臺(tái)及高分辨MRPC技術(shù)研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：354449