MRPC在高能重离子实验上的应用研究

论文摘要

根据QCD（Quantum Chromodynamics,量子色动力学）的预测,如果温度足够高或者能量密度足够大,强子物质会转变为QGP（Quark Gluon Plasma,夸克胶子等离子）态。这种极端的高温高密物质形态,在实验室中,可以通过相对论重离子碰撞实现。寻找转变的相边界和临界点,是当前高能重离子物理领域亟待解决的关键问题。德国正在建造的FAIR（Facility for Antiproton and Ion Research）加速器上的CBM（Compressed Baryonic Matter）实验,是有望实现这一目标的主要实验之一。CBM实验预期于2025年首次物理运行取数,工作在FAIR的SIS100加速器下,对应的能量范围在2-11 AGeV之间。为了获得更高的重子数密度,CBM设计工作在固定靶模式下。在CBM实验中,TOF（Time-of-Flight,飞行时间探测器）是实现粒子鉴别的关键子探测器系统。CBM TOF系统设计面积约120平方米。在这样大的面积下,MRPC（Multi-gap Resistive Plate Chamber,多气隙电阻板室）技术几乎是唯一的选择。作为一个高亮度的重离子打靶实验,在前向将产生极高的末态粒子通量,在TOF对应的平面上,末态粒子计数率在0.1-100 kHz/cm2范围内。在占总面积超过50%的CBM-TOF的外围区域,计数率～1 kHz/cm2,采用超薄浮法玻璃电极的MRPC是实现所需性能的最可行选择。美国布鲁克海文国家实验室的RHIC（Relativistic Heavy Ion Collider,相对论重离子对撞机）加速器上的STAR（Solenoidal Tracker At RHIC）实验,是目前正在运行的一个重要的相对论重离子实验装置。通过已经完成的BES-I（Beam Energy Scan-Ⅰ,一期束流能量扫描）,STAR已经发现了QGP存在的关键证据。为了对QCD相图进行更精细的研究,STAR计划在2019-2021年开展二期束流能量扫描（BES-Ⅱ）,并在固定靶条件下运行取数。这要求在前向区域具有更好的径迹、粒子分辨能力。因此,端盖TOF（eTOF）成为STAR升级的关键探测器之一。根据CBM和STAR合作组达成的协议,部分CBM TOF MRPC安装到STAR实验,组成东端盖TOF,提高STAR前向的粒子鉴别能力。STAR eTOF由36个模块组成,包含108个MRPC,6912个读出电子学通道。通过eTOF结合内时间投影室的升级,可以把前向π/K粒子鉴别的能力从0.75提高到1.60 GeV/c,π/K/p鉴别能力从1.1提高到3.0 GeV/c。这对寻找QCDg一级相变及其临界点至关重要。在国内兰州重离子研究装置冷却储存环（Heavy Ion Research Facility in Lanzhou-Cooling Storage Ring）上的低温高密度核物质测量谱仪（CSR-External-Target-Facility Experiment,CEE）实验,是中国第一个大规模重离子物理实验装置。CEE期望通过测量7T-/7T+比率（和其他相关的可观测量）,研究各种重离子碰撞系统的核对称能的密度依赖性;在低温和高净重子密度区域,超饱和密度核状态方程（EOS）;以及高重子数密度下,量子色动力学（QCD）的相图。在CEE的靶点附近,设计了一个新型的起点触发（TO）探测器,为整个系统提供触发、用来测量带电粒子的多重数、角度分布和时间信息。这个TO探测器,将采用MRPC技术建造,它可以提供精确的对撞时间和对撞几何信息。经过二十余年的发展,MRPC已经成为大面积高分辨飞行时间探测领域探测器的不二之选。MRPC具有低价、易于建造、易于组装、并且有极好的时间分辨等优势,其本征时间分辨可达50 ps,在很宽的电压坪下其效率高于95%。所有的优势都适合于重离子物理实验,已经或正在被大多数的重离子实验所采用。本论文主要从下面三个方面,研究MRPC在高能量重离子实验领域的应用。1)CBM TOF MRPC3b型探测器的设计。CBM-TOF对MRPC的最大挑战是计数率。尽管MRPC3b所在的外围区域计数率～1 kHz/cm2,普通浮法玻璃电极的MRPC仍无法满足此需求。通过降低玻璃电阻板的厚度,可以有效提高MRPC的计数率,但同时也对MRPC的设计和制作提出了更高的要求。CBM实验面临的另一挑战是高通量下的无触发数据获取模式（free streaming）,要求所有的探测器,尽可能降低假信号。对于MRPC来说,需要通过阻抗匹配设计,消除信号的反射本论文的研究工作重点针对这两项关键需求,研究了提高计数率的方法和MRPC的阻抗性质,最终完成了MRPC3b原型探测器设计,宇宙线测试和束流测试结果显示,各项性能满足CBM-TOF的设计要求。2)CBM/STAR eTOF批量制作中的生产工艺和质量控制方法。为了完成用于S-TAR eTOF的80个MRPC3b的批量制作和性能测试,论文期间研究并优化了MRPC的批量制作工艺,建立了探测器和eTOF模块的质量控制（QC）和质量保证（QA）方法。为确保探测器和eTOF模块的性能,搭建了三套不同的测试系统,同时应用于宇宙线性能测试。在对测试结果的分析过程中,首次把径迹重建的方法引入MRPC测试系统,提高了测试结果的可靠性。为了便于质量跟踪,在CERN ROOT基础上建立了批量制作的专用数据库。目前,STAR eTOF已顺利安装完成,证明了生产工艺设计和质量控制方法可行、可靠,为将来TOF系统工程建造奠定了坚实的基础。3)CEE TO MRPC探测器的设计和研制。论文期间同时完成了CEE T0探测器从概念性设计到技术设计和制作的整个过程,分别利用强子束流和重离子束流测试了原型样机的性能。通过模拟结果和实验结果的对比,原型探测器的时间分辨好于50 ps。整个T0探测器系统,包括电子学和探测器两部分的定时性能满足CEE实验的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• Chapter 1 Introduction
•   1.1 Background of the Heavy Ion Physics Experiment
•     1.1.1 High Energy Heavy Ion Physics
•     1.1.2 Heavy ion Experiment
•   1.2 Time of Flight for Heavy ions Experiment
•     1.2.1 Time of Flight system
• Chapter 2 Multi-gap Resistive Plate Chamber （MRPC） Technolog
•   2.1 MRPC in Heavy ion Physics
•     2.1.1 Traditional Time of Flight Detector
•     2.1.2 The application of MRPC
•   2.2 Operation principle of the MRPC
•     2.2.1 Detector Physics
•     2.2.2 Avalanche Dynamics
•     2.2.3 Intrinsic Time Resolution and Efficiency
•     2.2.4 Gas Mixture
•   2.3 Rate Capability
•     2.3.1 Rate Capability of MRPC
•     2.3.2 Factors of Rate Capability
• Chapter 3 CBM MRPC TOF
•   3.1 The requirements of CBM-TOF wall
•     3.1.1 Rate at CBM-TOF wall
•     3.1.2 Requirements for MRPC3b
•   3.2 Prototype Design
•     3.2.1 A Simulation of MRPC operation
•     3.2.2 Design of MRPC3b
•   3.3 Test on Prototype of MRPC3b
•     3.3.1 Analysis Framework
•     3.3.2 NINO System
•     3.3.3 Basic performance of MRPC3b
•     3.3.4 The Hadron beam test system
•     3.3.5 Beam Test study on prototype MRPC3b
• Chapter 4 CBM/STAR-eTOF Mass production
•   4.1 The CBM/STAR-eTOF Program
•     4.1.1 The Motivation
•   4.2 Mass Production
•     4.2.1 MRPC3b: design and geometry
•     4.2.2 Quality Control of the MRPC3b counter Mass Production
•     4.2.3 Quality Control of Module in Mass Production
•     4.2.4 STAR/CBM-eTOF Componet Database
•   4.3 Quality Assurance for CBM/STAR-eTOF
•     4.3.1 PADI
•     4.3.2 USTC Readout Electronics System
•     4.3.3 TRB3 Readout System@USTC
•     4.3.4 Software Structure of the TRB3 Cosmic-ray test System
•     4.3.5 TRB3 Results
•     4.3.6 Cosmic-Ray Test Stand at Heidelberg （GET4-PADI system）
•     4.3.7 QA of STAR eTOF modules at Heidelberg
•     4.3.8 Summary of the mass production
•     4.3.9 Plan for the future improvement
• Chapter 5 The study of prototype MRPCs for the T0 detector at theCEE
•   5.1 Design of CEE-T0
•     5.1.1 Simulation of the TOF
•     5.1.2 Requirements of the T0
•     5.1.3 Design Considerations of T0 Detector
•     5.1.4 Design of CEE prototype T0 Detector
•   5.2 Test Stand System for CEE T0/trigger in USTC
•     5.2.1 Front-end Electronics
•     5.2.2 Readout Electronics
•     5.2.3 Time resolution of the test system
•   5.3 Results of CEE prototype T0 detector
•     5.3.1 Cosmic test stand
•     5.3.2 Cosmic Ray Test Study of Prototype
•     5.3.3 Beam test setup for T0
•     5.3.4 The result of hadron beam test
•     5.3.5 Heavy-ion in-beam test Setup
•     5.3.6 The result of the heavy-ion in-beam test
• Chapter 6 Conclusion and Outlook
•   6.1 Conclusions
•     6.1.1 STAR/CBM eTOF
•     6.1.2 CEE-TO detector
•   6.2 Outlook
• Bibliography
• Appendix A Returning particles
•   A.1 The decay of the muon
• Acknowledgements
• Publications

文章来源

类型: 博士论文

作者: 胡东栋

导师: 邵明,孙勇杰,Norbert Herrmann

关键词: 多气隙电阻板室,重离子物理,时间分辨

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,核科学技术

单位: 中国科学技术大学

分类号: O571.6

总页数: 187

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