電極厚度對(duì)MRPC計(jì)數(shù)率能力的影響

朱偉平，王 義，馮笙琴

(1.三峽大學(xué) 理學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.清華大學(xué) 工程物理系 粒子技術(shù)與輻射成像教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

MRPC(multi-gap resistive plate chamber)是近年來(lái)迅速發(fā)展的一種新型氣體探測(cè)器，由于具有時(shí)間分辨好、探測(cè)效率高、造價(jià)低廉以及容易大面積制造等特點(diǎn)，因而被廣泛用于建造高能物理和核物理實(shí)驗(yàn)中的大型飛行時(shí)間探測(cè)系統(tǒng)。例如，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC上的ALICE飛行時(shí)間探測(cè)器[1]、相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)RHIC上的STAR飛行時(shí)間探測(cè)器等[2]。然而，隨著加速器能量和束流亮度的提高，對(duì)用于建造飛行時(shí)間(TOF)探測(cè)系統(tǒng)的MRPC探測(cè)器計(jì)數(shù)率能力的要求也迅速提高。德國(guó)的壓縮重子物質(zhì)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃使用MRPC搭建面積為120 m2的飛行時(shí)間探測(cè)系統(tǒng)，為獲得25 GeV/A能量條件下對(duì)π介子、K介子的分辨能力達(dá)到4 GeV/C，它要求TOF探測(cè)器在粒子計(jì)數(shù)率高達(dá)20 kHz/cm2的條件下保持探測(cè)效率高于90%，時(shí)間分辨優(yōu)于80 ps[3]。通常，用于組裝MRPC探測(cè)器的普通玻璃電極厚度為1.0 mm左右，探測(cè)器的計(jì)數(shù)率能力約為200 Hz/cm2，遠(yuǎn)不能滿足下一代高亮度物理實(shí)驗(yàn)的要求。

提高M(jìn)RPC探測(cè)器計(jì)數(shù)率能力的方法主要有兩種：一種是降低MRPC探測(cè)器阻性電極的體電阻；另一種是提高讀出前放的靈敏度。其中，清華大學(xué)在通過(guò)降低玻璃電極體電阻率提高探測(cè)器的計(jì)數(shù)率能力方面取得了重大突破，研制了一種低體電阻率玻璃(體電阻率為1010Ω·cm量級(jí))，采用這種低電阻率玻璃組裝的MRPC計(jì)數(shù)率能力高達(dá)70 kHz/cm2[4]，但這種低電阻率玻璃的價(jià)格是普通玻璃的數(shù)十倍，目前可加工的最大尺寸也僅為32 cm×30 cm。理論上，降低用于組裝MRPC的阻性電極的厚度同樣可提高M(jìn)RPC的計(jì)數(shù)率能力，同時(shí)還能降低探測(cè)器成本。本文分析MRPC計(jì)數(shù)率能力隨電極厚度的變化關(guān)系并研究幾種不同電極厚度MRPC的計(jì)數(shù)率能力，驗(yàn)證降低電極厚度提高探測(cè)器計(jì)數(shù)率能力的可行性。

1 探測(cè)器計(jì)數(shù)率能力

探測(cè)器的計(jì)數(shù)率能力主要受感應(yīng)電荷在極板中放電恢復(fù)時(shí)間τ的影響，恢復(fù)時(shí)間越短計(jì)數(shù)率能力越高，反之越低。利用DC模型[5]和二維電阻網(wǎng)絡(luò)模型[6]可分析影響MRPC計(jì)數(shù)率的因素。根據(jù)DC模型，有：

(1)

(2)

根據(jù)Inoue等[6]的二維電阻網(wǎng)絡(luò)模型，MRPC探測(cè)器的在維持正常工作下的計(jì)數(shù)率能力有：

φ∝1/(1+ρv/σd)d2

(3)

式中，σ為電極的面電阻率，其他參數(shù)參考DC模型。當(dāng)σ遠(yuǎn)大于ρν/d時(shí)，φ∝1/d2；當(dāng)σ遠(yuǎn)小于ρν/d時(shí)，φ∝1/d。

基于這兩種模型對(duì)探測(cè)器計(jì)數(shù)率能力與電極厚度關(guān)系的分析，認(rèn)為降低電極厚度可提高探測(cè)器的計(jì)數(shù)率能力。

2 探測(cè)器結(jié)構(gòu)

圖1 MRPC探測(cè)器結(jié)構(gòu)

為研究電極厚度不同的MRPC探測(cè)器計(jì)數(shù)率能力，設(shè)計(jì)一種條形讀出MRPC，并采用4種不同厚度的普通硅酸鹽玻璃組裝4個(gè)結(jié)構(gòu)一致的探測(cè)器。為增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的可比性，除玻璃電極厚度不同外，其他各項(xiàng)材料及相關(guān)參數(shù)均保持嚴(yán)格一致。其中，組裝MRPC所用的玻璃電極體電阻率均為4.2×1012Ω·cm，面電阻率均為5.0×1013Ω/cm2，厚度分別為1.1、0.7、0.5和0.35 mm，Mylar膜厚度為0.18 mm。探測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖1所示，探測(cè)器共有8條讀出條，采用雙端讀出模式，條寬22 mm，長(zhǎng)125 mm，條間間隙為3 mm；玻璃電極在中間陽(yáng)極兩側(cè)呈三明治式對(duì)稱排列，這種鏡像對(duì)稱結(jié)構(gòu)的MRPC可看成是由兩個(gè)獨(dú)立的5氣隙的MRPC堆疊而成，氣隙寬度為0.25 mm，采用尼龍魚(yú)線隔開(kāi)，有效探測(cè)面積為200 mm×125 mm。實(shí)驗(yàn)時(shí)將正高壓加在探測(cè)器的上、下電極上，負(fù)高壓加在中間電極上，感應(yīng)出的正、負(fù)信號(hào)分別由位于中間PCB和上、下PCB上的讀出條收集。設(shè)定電極厚度分別為1.1、0.7、0.5及0.35 mm的MRPC分別為模塊1、2、3及4。

3 實(shí)驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果

3.1 X射線實(shí)驗(yàn)

為探究通過(guò)降低電極厚度來(lái)提高M(jìn)RPC計(jì)數(shù)率能力的可行性，首先采用X射線對(duì)探測(cè)器進(jìn)行測(cè)試，觀察并記錄幾個(gè)電極厚度不同的MRPC探測(cè)器在不同本底條件下單位時(shí)間單位面積產(chǎn)生的信號(hào)個(gè)數(shù)(作為探測(cè)器的輸出計(jì)數(shù)率)以及探測(cè)器回路電流(作為探測(cè)器的計(jì)數(shù)輸出電流)。實(shí)驗(yàn)流程如下：1) 將實(shí)驗(yàn)室溫度設(shè)置為22 ℃；2) 將探測(cè)器封裝于密閉的鋁制流氣盒中，將常壓下90%的氟利昂、5%的異丁烷和5%的六氟化硫的混合氣體以25 mL/min的流速通入流氣盒中，待流氣均勻(累積體積通常為4倍流氣盒體積)；3) 將MRPC的信號(hào)輸出端連接至NINOs前置放大電子學(xué)，并將閾值設(shè)置為1.6 V，然后將經(jīng)前置放大器甄別的RPC信號(hào)輸入到電平轉(zhuǎn)換盒，最后將轉(zhuǎn)換的NIM信號(hào)輸入到CAEN N1145 scaler中進(jìn)行計(jì)數(shù)。

圖2 X射線實(shí)驗(yàn)布置圖

為獲知各MRPC相對(duì)準(zhǔn)確的輸出計(jì)數(shù)率能力，需使探測(cè)器被輻照區(qū)域的X射線強(qiáng)度足夠均勻，即保證MRPC被輻照的面積盡可能小，為此，設(shè)計(jì)如圖2所示的實(shí)驗(yàn)方案，在體積為32 cm×40 cm×4 cm的流氣測(cè)試盒前堆砌一堵面積為50 cm×60 cm、厚度為6 cm的鉛屏蔽墻，并在墻中間開(kāi)一面積為1 cm×1 cm的小方孔，孔中心正對(duì)被測(cè)條的中心，因此，在X光機(jī)工作時(shí)X射線僅能從小孔透過(guò)并觸發(fā)該條上1 cm2的面積，而其他區(qū)域因有鉛磚屏蔽而不被觸發(fā)，同時(shí)將X光機(jī)放在距離測(cè)試盒2 m處的位置，以確保能獲得強(qiáng)度相對(duì)均勻的X射線。

在探測(cè)器正負(fù)電極上加高壓，使MRPC極板間電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)105 kV/cm左右。待探測(cè)器穩(wěn)定后開(kāi)始測(cè)試，實(shí)驗(yàn)采用自觸發(fā)模式。首先，在無(wú)X光條件下，用定標(biāo)器N1145分別記錄這4個(gè)探測(cè)器的本底計(jì)數(shù)率作為探測(cè)器噪聲(均低于2 Hz/cm2)；然后，開(kāi)啟X光機(jī)，用定標(biāo)器記錄探測(cè)器在單位時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)作為探測(cè)器的輸出計(jì)數(shù)率(噪聲計(jì)數(shù)相對(duì)很小，可忽略；被觸發(fā)面積為單位面積)，同時(shí)將高壓源N471顯示的電流記錄為探測(cè)器在相應(yīng)本底條件下的計(jì)數(shù)電流，圖3為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取系統(tǒng)。

圖3 X射線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)

圖4 各探測(cè)器計(jì)數(shù)電流隨X光機(jī)管電壓的變化

圖5 各探測(cè)器輸出計(jì)數(shù)率隨X光機(jī)外加電壓的變化關(guān)系

3.2 束流實(shí)驗(yàn)

圖6 束流實(shí)驗(yàn)布置

為進(jìn)一步證實(shí)降低電極厚度可提高M(jìn)RPC探測(cè)器的計(jì)數(shù)率能力，并獲知這幾種不同電極厚度的MRPC的有效計(jì)數(shù)率能力，于2013年在俄羅斯的JINR聯(lián)合核技術(shù)研究所進(jìn)行束流測(cè)試。整個(gè)測(cè)試過(guò)程均采用能量為1.0 GeV/A、2～3 s/spill的氘離子束進(jìn)行，其中，氘離子束由Nuclotron加速裝置提供[7]，圖6為束流實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)布置圖。S1～S5為閃爍探測(cè)器，MRPC探測(cè)器安插在閃爍探測(cè)器中間，并采用激光輔助準(zhǔn)直。受TDC道數(shù)以及前端電子學(xué)個(gè)數(shù)的限制，1次最多只能對(duì)其中3個(gè)MRPC進(jìn)行同時(shí)測(cè)試。FFD1和FFD2為切連科夫探測(cè)器，用于為系統(tǒng)提供參考時(shí)間，S1～S5的符合信號(hào)用于提供系統(tǒng)觸發(fā)以及TDC的開(kāi)門信號(hào)。

首先，在低計(jì)數(shù)率(100 Hz/cm2左右)條件下對(duì)探測(cè)器進(jìn)行高壓掃描，以獲知各探測(cè)器的最佳工作電壓。各探測(cè)器探測(cè)效率及時(shí)間分辨隨所加高壓的變化關(guān)系如圖7所示。在高工作電壓區(qū)域，4個(gè)探測(cè)器的探測(cè)效率均達(dá)93%以上，當(dāng)探測(cè)器外加高壓大于6.1 kV時(shí)，模塊4的探測(cè)效率高于90%；外加高壓超過(guò)6.4 kV時(shí)，模塊3的探測(cè)效率超過(guò)90%；外加高壓超過(guò)6.5 kV時(shí)，模塊2的探測(cè)效率超過(guò)90%；當(dāng)外加電壓高于6.7 kV時(shí)，模塊1的探測(cè)效率也超過(guò)了90%。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)在同等高壓條件下，電極厚度越薄，MRPC探測(cè)效率越高，探測(cè)器的時(shí)間分辨均優(yōu)于70 ps。

圖7 探測(cè)效率和時(shí)間分辨隨高壓的變化

根據(jù)高壓掃描測(cè)試的結(jié)果，將模塊4的工作電壓分別設(shè)置為各自的最佳工作電壓，即6.8、6.8、6.7和6.6 kV，對(duì)探測(cè)器進(jìn)行高壓煅煉使其達(dá)到穩(wěn)定后開(kāi)始對(duì)探測(cè)器進(jìn)行計(jì)數(shù)率掃描(0.5～3.2 kHz/cm2)。圖8為探測(cè)器的探測(cè)效率以及時(shí)間分辨隨計(jì)數(shù)率的變化關(guān)系，以探測(cè)效率高于90%、時(shí)間分辨優(yōu)于70 ps作為判定探測(cè)器計(jì)數(shù)率能力的分界點(diǎn)，則模塊1、2、3、4的計(jì)數(shù)率能力分別可達(dá)0.2、0.5、1.0、3.2 kHz/cm2。

圖8 探測(cè)器探測(cè)效率及時(shí)間分辨隨計(jì)數(shù)率的變化

4 結(jié)果分析與討論

針對(duì)各探測(cè)器最大輸出計(jì)數(shù)率、有效計(jì)數(shù)率能力與玻璃電極厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及φ∝1/d或φ∝1/d2的推測(cè)，分別對(duì)MRPC的最大輸出計(jì)數(shù)率和有效輸出計(jì)數(shù)率與對(duì)應(yīng)的玻璃電極厚度進(jìn)行曲線擬合，得出MRPC探測(cè)器最大輸出計(jì)數(shù)率和有效輸出計(jì)數(shù)率均與玻璃電極厚度呈φ∝1/(a/d+b/d2)(a、b為常數(shù))的關(guān)系(圖9)?？煽闯?，可通過(guò)降低電極厚度來(lái)提高M(jìn)RPC探測(cè)器的計(jì)數(shù)率能力。但降低電極厚度的同時(shí)也會(huì)給玻璃電極的大面積生產(chǎn)帶來(lái)困難，還會(huì)給MRPC探測(cè)器的組裝帶來(lái)一定的困難。因此，在后期尋找相對(duì)合適的電極厚度并輔以電極加熱技術(shù)將是提高探測(cè)器計(jì)數(shù)率能力的一個(gè)重要課題。

圖9 探測(cè)器計(jì)數(shù)率能力與電極厚度的關(guān)系

5 小結(jié)

本文結(jié)合DC模型和二維電阻網(wǎng)絡(luò)模型分析了MRPC探測(cè)器計(jì)數(shù)率能力與電極厚度的關(guān)系，研究了4種不同厚度電極MRPC的計(jì)數(shù)率能力。實(shí)驗(yàn)表明，電極厚度越低，MRPC計(jì)數(shù)率能力越強(qiáng)。證實(shí)了降低電極厚度提高探測(cè)器計(jì)數(shù)率能力的可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1]ALICE time of flight addendum, CERN/LHCC 2002-016[R/OL]. http:∥www.bo.infn.it/alice/tof-over/alice_chap1.pdf.

[2]Proposal for a large-area time-of-flight system for STAR[R/OL]. (2010-11-18). http:∥wjllope.rice.edu/_TOF/TOF/Documents/TOF_20040524.pdfS.

[3]DEPPNER I, HERRMANN N, GONZALEZ-DIAZ D, et al. The CBM time-of-flight wall[J]. Nucl Instrum Methods A, 2012, 661: 121-124.

[4]ZHU W P, WANG Y, FENG S Q, et al. A real-size MRPC developed for CBM-TOF[J]. Science China Technological Sciences, 2013, 56(11): 2 821-2 826.

[5]AIELLI G, CAMARRI P, CARDARELLI R, et al. An RPC γ irradiation test[J]. Nucl Instrum Methods A, 2000, 456: 82-86.

[6]INOUE Y, MURANISHI Y, NAKAMURA M, et al. High voltage distributions in RPCs[J]. Nucl Instrum Methods A, 1996, 372: 39-44.

[7]KOVALENKO A D, BALDIN A M, MALAKHOV A I. Status of the Nuclotron[C]∥EPAC. London: [s. n.], 1995: 161-164.