新型粒子探测器—多气隙电阻板室的性能研究

论文摘要

高能重离子对撞物理是20世纪70年代以来形成的一个新的研究领域，其目的是研究在相对论和极端相对论条件下，由核—核碰撞所产生的极端高温，高密度核物质的性质，探测新的核物质相。这种研究对人们了解粒子物理，核物理和有关宇宙形成及其演化都具有非常重要的意义。美国布鲁克海汶国家实验室（BNL）的相对论重离子对撞机（RHIC）能够将碰撞核子加速到几百GeV，目的是通过分析末态粒子携带的信息寻找夸克胶子等离子体（QGP），进一步研究和发现新物质形态和新粒子。RHIC—STAR探测器的物理目标是研究高能量密度下强相互作用的物质，寻找QGP。为了提高STAR探测器的粒子鉴别能力，中美双方正在合作建造多气隙电阻板室（MRPC）飞行时间谱仪（TOF）。MRPC具有探测效率高和时间分辨好等优点，工作在雪崩模式下的MRPC具有几百Hz／cm2的计数率能力，可以满足粒子多重性探测要求。 该论文围绕新型粒子探测器MRPC的基本性能研究，从4个方面展开详细的分析和研究。分别从工作气体环境的变化，电极材料的变化，读出电极尺寸的变化，以及几何结构变化等几方面研究MRPC的基本性能，以进一步了解掌握MRPC的工作机理和工作条件。本论文的全部实验工作都是基于宇宙线测试完成的。 通过对MRPC的工作气体温度和气体比分的变化对其性能的影响的研究，揭示了MRPC的雪崩过程对环境温度和气体比分的依赖性，为掌握MRPC运行的物理机制提供了重要的数据，同时为MRPC的工作环境条件的控制提供了可靠的依据。工作气体对MRPC性能的影响包括两个方面：工作气体温度的改变和气体成分比例的改变。实验发现，随着气体温度升高，MRPC的暗电流增加，噪声呈指数上升，效率坪提前和平均电荷量增加。这些实验现象和规律可以用MRPC的雪崩放大的增益随温度增加而增加来解释。气体温度的升高造成原初电离密度变小，电子的平均自由程变大，电子的电离截面增加，有效汤生系数的增大，气体增益变大，MRPC的信号幅度，噪声，暗电流，效率都随气体增益的增大而增加。流气式工作的MRPC，气体压强不变，气体密度随温度升高而变小，依赖E／ρ的气体增益随温度升高而变大。在温度变化较小时，论文工作提出可以用经验公式V=VαP0T／PT0来调整工作条件。不同气体比分对MRPC性能的影响，主要由气体本身的性质决定，电子的平均自由程随氟利昂在混和气中的比分升高而减小，电子电离截面变小，汤生系数变小，电子漂移速度变慢，所以感应信号幅度

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 引言—量子色动力学和相对论重离子碰撞
• 1.2 QCD
• 1.3 手征对称性
• 1.4 相对论重离子对撞空间—时间演化
• 1.5 QGP和相变的信号
• 1.6 重离子对撞
• 1.6.1 核阻滞和初态能量密度
• 1.6.2 喷注淬灭-Jet quenching
• 1.6.3 集体运动
• 第二章 RHIC-STAR实验
• 2.1 RHIC加速器
• 2.2 STAR探测器
• 2.2.1 时间投影室—TPC
• 2.2.2 飞行时间谱仪—TOF
• 2.2.2.1 TOF对STAR的意义
• 2.2.2.2 TOF的粒子鉴别能力
• 2.3 多气隙电阻板室—MRPC
• 2.3.1 MRPC的基本结构
• 2.3.2 MRPC的工作原理和特点
• 2.3.3 MRPC的研制工作
• 2.3.4 宇宙线测试系统
• 2.3.4.1 配气系统
• 2.3.4.2 望远镜系统
• 2.3.4.3 数据采集系统
• 2.3.5 数据分析
• 2.3.6 MRPC的性能的基本参考
• 2.3.7 比较宇宙线测试标准与束流测试
• 第三章 工作环境对MRPC性能影响的研究
• 3.1 工作气体温度变化对MRPC性能的影响研究
• 3.1.1 温度效应的实验装置
• 3.1.2 温度效应的测试结果
• 3.1.3 小结
• 3.2 气体成分对MRPC性能影响研究
• 3.3 利用蒙特卡罗方法研究不同气体工作条件对MRPC性能的影响
• 3.3.1 模拟原理
• 3.3.1.1 原初电离
• 3.3.1.2 雪崩模拟
• 3.3.1.3 信号感应
• 3.3.1.4 气体参数的确定
• 3.3.2 蒙特卡罗模拟的模型
• 3.3.3 温度效应的模拟结果
• 3.4 两种混和气体不同比分对MRPC性能影响的模拟结果
• 3.5 结果和讨论
• 第四章 表面电阻率不同的电极材料对MRPC性能影响的研究
• 4.1 Licron电极
• 4.2 Licron电极室的性能测试结果
• 4.3 Licron电极室与碳膜电极室在串扰方面的比较
• 4.3.1 不同甄别阈下Licron电极室和碳膜电极室的串扰比较
• 4.3.2 对MRPC串扰的进一步研究
• 4.4 结论
• 第五章 几何结构变化对MRPC的性能影响的研究
• 5.1 2×4模块MRPC的结构
• 5.2 测试结果
• 5.3 与单模块MRPC比较
• 5.4 结论
• 第六章 长读出条尺寸变化对MRPC性能影响的研究
• 6.1 长读出条室的设计
• 6.2 长读出条室的宇宙线测试结果
• 6.2.1 单纯用望远镜触发长读出条室的性能测试
• 6.2.2 用望远镜和一个标准MRPC同时触发长读出条室的性能测试
• 6.2.3 信号在金属读出条上的传播速度
• 6.3 结论
• 第七章 结论
• 参考文献
• 在学期间的研究成果及发表的论文
• 致谢