STAR时间投影室内扇区丝室升级和基于GEM及阳极丝面的新型时间投影室阳离子回流抑制的研究

论文摘要

为了在更深层次上研究量子色动力学（Quantum ChromoDynamics,QCD）的相变过程及寻找可能存在的QCD相变临界点,RHIC STAR计划在一期能量扫描结束后对探测器进行升级,其中内扇区时间投影室iTPC成为此次升级的核心部分。iTPC升级项目计划把内扇区丝室读出覆盖率由20%提升至100%并升级相应的读出电子学。探测器经过升级后预期将获得更好的动量分辨率,更好的dE/dx分辨率,并在高快度区间（1<|η|<1.5）大幅提升对粒子径迹的重建效率。在iTPC展开量产工作前,考虑到升级指标对多丝正比室三层丝面的严苛要求,分别为其搭建了绕丝系统和丝张力测试系统并实现了自动化。经过对其精度和稳定度的测试,发现这两套系统均可以达到较高的物理精度要求。针对绕丝过程中出现的丝张力不均匀现象,使用ANSYS对丝框进行受力变形分析后基于Lab VIEW开发出一套张力实时补偿模块成功解决了该难题。iTPC进入正式的批量生产阶段后,每个生产环节都得到了严格的把控。在性能测试环节,为其搭建了一整套硬件设备,整个测试基于55Fe放射源及高频X射线管,并辅以多道脉冲分析仪、示波器、STAR电子学等先进数据采集仪器。对于iTPC的性能测试主要分为丝端读出测试和pad读出测试。在丝端读出测试中,探测器的增益可以稳定在2500左右（阳极丝工作电压1120V）且在这个增益附近具有良好的正比性,增益均匀性好于2%,能量分辨率可以达到1%左右。在高强度X射线辐照下（X射线频率2.3×105HZ,射线管电压25kV,射线管电流500μA）,探测器可以稳定工作并且漏电流保持在500nA左右。在使用STAR电子学系统对pad读出的测试中发现iTPC每个pad的本底在35至60ADC内浮动,pad感应全信号电量与阳极丝信号电量比达到1:1.98,PRF响应函数峰值即单pad与阳极丝信号电量最大占比最大达到30%左右,且位置分辨率达到2.5mm左右。后期将iTPC运往BNL实验室进行Run-18测试并经过200GeV Isobar和27GeV Au+Au事例重建后发现,和比于旧的iTPC,升级后的iTPC其打击点数由最多的45个提升至72个。横动量PT的测量阈值降为60MeV/c,赝快度接受区间η向前延伸了0.4个单位,并且dE/dx分辨率也都得到了明显的提升。截止到2019年2月,STAR完成了对全部iTPC探测器的安装调试工作并正式开启了二期能量扫描计划,STAR iTPC升级项目顺利完成。相较于目前世界上正在运行的对撞机,未来的对撞机（比如EIC）将具有高出几个量级的亮度及碰撞率,而传统的多丝正比室由于其开关门机制会周期性的带来一段延迟时间使探测器无法读出,所以开发一种可连续读出的时间投影室便成为一项研发任务。经过STAR iTPC升级项目,我们在此基础上设想一种新型时间投影室结构:保留阳极丝,撤换掉阴极丝和门极丝,摒弃掉传统多丝正比室的开关门机制,取而代之的是气体电子倍增器（Gas Electron Multiplier,GEM）。这样阳极丝依然提供主要的信号放大作用,一层或多层GEM在较低的工作电压下工作提供辅助放大并主要用来抑制阳离子的回流,从而实现信号的连续读出以适应高亮度环境。探测器搭建完毕后,其余的硬件系统如多道脉冲分析仪测试系统、混气系统、温度及压强监控系统也同时建立起来。根据GEM上孔的正六边形排列规则,作者分别尝试了两种交叠方案,第一种双层GEM平移交叠方案可以在模拟中达到100%的交叠状态,但是在实验中却受制于装配精度而不适合实际应用,只能作为模拟理论的参考。第二种双层G E M旋转交叠方案受装配精度的影响较小,此方案在性能测试环节中得到了实际应用。在APDL及Garfield++模拟的帮助下,首先对单层GEM及双层GEM的电子及阳离子的传输规律、电子的收集效率、电子的提取效率、增益等重要属性进行了模拟并得到了量化结果。在最终对双层GEM加阳极丝面的模拟中发现该配置在整个模拟过程中表现稳定,经过电场优化,可以将阳离子回流比率压制到较低的水准。其中和STAR TPC环境变量类似的参数（气体组分、温度、气压等）也都被证明可以为探测器提供稳定的工作环境。经过全面的性能测试发现探测器有效增益随着阳极丝电压升高（固定GEM工作电压）而呈指数增长,工作电压由940V升至1120V的过程中,探测器的有效增益由2500左右提升至44000左右。其中低有效增益更符合探测器的实际应用,在有效增益2500左右时,探测器的能量分辨率可以达到10%左右。对IBF的测量精度可以达到5%左右,当漂移区场强设置为O.1kV/cm,传输区场强设置为4.0kV/cm,阳极丝工作电压设置为940V,双层GEM工作电压设置为255V时,阳离子回流比率可以被抑制到最好的0.58%,此时参数∈（即Gcff*IBF）可以达到14左右。经过对该新型时间投影室在实际工作环境下将带来的空间阳离子密度分布的评估后,发现该探测器设计方案未来在EIC上的e+p碰撞中得到实际应用的潜力是最大的,虽然EIC的碰撞率足够高,但e+p碰撞的事例多重数却远远小于p+p碰撞,且明显低于Au+Au碰撞。最后带来的空间电荷密度将类似于目前RHIC-STAR上的Au+Au碰撞。这个量级的空间电荷密度处于可以接受的范围,因此该设计可以作为未来在EIC上得到应用的方案之一。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 RHIC-STAR实验及iTPC升级介绍
•   1.1 RHIC-STAR实验简介
•     1.1.1 相对论重离子对撞机（RHIC）
•     1.1.2 STAR探测器
•   1.2 STAR iTPC升级的物理动机及升级内容
•     1.2.1 STAR能量扫描计划
•     1.2.2 iTPC升级内容
•   1.3 小结
• 第二章 iTPC多丝正比室的批量研制
•   2.1 与iTPC研制相关的硬件系统搭建
•     2.1.1 绕丝系统
•     2.1.2 丝张力测试系统
•   2.2 丝框的张力及间距检测
•     2.2.1 丝张力及丝间距扫描测试
•     2.2.2 丝框受力变形分析及张力补偿
•   2.3 iTPC多丝正比室主要部件的设计
•     2.3.1 主体框架
•     2.3.2 信号感应板
•   2.4 iTPC多丝正比室的批量制作
•   2.5 小结
• 第三章 批量制作iTPC多丝正比室的性能测试
•   3.1 iTPC多丝正比室的工作原理
•   3.2 iTPC多丝正比室阳极丝读出的性能测试
•     3.2.1 测试平台搭建
•     3.2.2 增益及能量分辨率的均匀性扫描
•     3.2.3 强辐射下的稳定性测试
•   3.3 iTPC多丝正比室pad读出的性能测试
•     3.3.1 STAR DAQ测试系统简介
•     3.3.2 本底测试
•     3.3.3 脉冲信号捕捉与pad增益测试
•     3.3.4 位置分辨率测试
•   3.4 Run-18中iTPC的试运行表现
•   3.5 小结
• 第四章 下一代对撞机（EIC）及探测器的性能需求
•   4.1 电子-离子对撞机（EIC）简介
•   4.2 传统时间投影室的开关门机制
•   4.3 微结构气体探测器在EIC上应用的可能性
•   4.4 小结
• 第五章 基于气体电子倍增器和阳极丝面的时间投影室设计及原型样机研制
•   5.1 微结构气体探测器（MPGDs）
•     5.1.1 气体电子倍增器（GEM）
•     5.1.2 厚型气体电子倍增器（THGEM）
•     5.1.3 玻璃型气体电子倍增器（G-GEM）
•   5.2 基于GEM及阳极丝面的新型时间投影室的设计思路
•   5.3 原型样机的搭建
•   5.4 探测器测试系统的搭建
•     5.4.1 多道脉冲分析仪测试系统
•     5.4.2 MCA系统刻度
•     5.4.3 气体混合系统
•     5.4.4 对于温度和压强的控制
•     5.4.5 系统屏蔽
•   5.5 小结
• 第六章 基于APDL的时间投影室单元建模
•   6.1 单层GEM的建模
•     6.1.1 单层GEM结构的显微镜观测
•     6.1.2 建立模型单元
•     6.1.3 添加载荷
•     6.1.4 网格划分与求解
•   6.2 双层GEM的建模
•     6.2.1 非交叠状态下的双层GEM
•     6.2.2 交叠状态下的双层GEM
•   6.3 双层GEM加阳极丝的建模
•   6.4 小结
• 第七章 基于Garfield++的时间投影室性能模拟
•   7.1 单层GEM的性能模拟
•     7.1.1 电子及阳离子的传输过程
•     7.1.2 电子的收集效率
•     7.1.3 电子的雪崩增益
•     7.1.4 电子的提取效率
•   7.2 双层GEM的性能模拟
•     7.2.1 非交叠与交叠模式下电子及阳离子的传输过程
•     7.2.2 非交叠与交叠模式下阳离子的回流比率
•     7.2.3 交叠模式下电子的雪崩增益
•     7.2.4 交叠模式下电子的提取效率
•   7.3 双层GEM搭配阳极丝面的性能模拟
•     7.3.1 每一级放大器有效增益的估算
•     7.3.2 传输区场强对于阳离子回流比率的影响
•     7.3.3 探测器各部位对阳离子的吸收比率
•   7.4 小结
• 第八章 基于气体电子倍增器及阳极栅面的时间投影室性能测试
•   8.1 增益及能量分辨率测试
• 55Fe放射源辐照原理'>    8.1.1⁵⁵Fe放射源辐照原理
•     8.1.2 脉冲信号捕捉
• 55Fe能谱分析'>    8.1.3⁵⁵Fe能谱分析
•     8.1.4 有效增益及能量分辨率电压扫描
•   8.2 阳离子回流比率测试
•     8.2.1 实时电流采样
•     8.2.2 阳离子回流比率电压扫描
•     8.2.3 漂移区电场对探测器空间内阳离子密度的影响
•   8.3 计数率测试
•     8.3.1 pad上的计数率
•     8.3.2 阳极丝上的计数率
•   8.4 空间电荷密度估算
•   8.5 小结
• 第九章 总结与展望
•   9.1 总结
•   9.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间参加的科研工作
• 附录A 重要词汇中英文对照
• 附录B 基于APDL的建模代码
•   B.1 双层非交叠GEM
•   B.2 双层交叠GEM

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王帅

导师: 徐庆华,许长补

关键词: 升级,多丝正比室,阳离子回流

来源: 山东大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学,物理学

单位: 山东大学

分类号: O572.2;O413

DOI: 10.27272/d.cnki.gshdu.2019.000462

总页数: 155

文件大小: 16004K

下载量: 22