第四章第4-5节

STAR-TOF 的要求
系统总时间分辨: < 100 ps （Au+Au 对撞） 每读出条占有率: < 10%
计数率: 200 Hz/cm2
探测效率: > 90% 取代原有的中心触发桶CTB
2013/10/24 中国科大 汪晓莲，刘建北 20
MRPC R&D
a) 单路读出MRPC
Tray 4
2009年8月在BNL通过美国DOE的验收，美 方认为MRPC生产任务全部规范的、按时、 按预算地完成，MRPC质量优异。STAR TOF探测器的建造工作取得了科学上和技术 上的巨大的成功。同年12月28日以全A通过 基金委组织的专家组验收。
中国科大 汪晓莲，刘建北 33
2013/10/24
l 对高动量（速度接近光速）粒子（走1米需要的时间 ～310-9 秒)，不同质量的粒子的t 的差别很小， 因此要求时间测量很精确即时间分辨率好。
m p(
c 2t 2
2
1)
1/ 2
dm dp dl 2 dt ( ) m p t l
2013/10/24
中国科大 汪晓莲，刘建北
19
从单气隙到多气隙
减小气隙→减小原初电离位置 的涨落→减小信号的时间晃动 →获得好的时间分辨 窄气隙还限制雪崩发展，减小 流光发生的概率
窄气隙信号小，将多个窄气隙叠 加，电极感应信号为各气隙贡献 之和，而窄气隙的小时间晃动特 点依然得到保持。
2013/10/24 中国科大 汪晓莲，刘建北 15
结构和性能
TOFr Tray 中国科大 汪晓莲，刘建北 1/120 coverage of Barrel STAR
23
MRPC制作
100 m2 清洁室 （级别：100K): 温度： 25o C 湿度： <40%
2013/10/24 中国科大 汪晓莲，刘建北 24
MRPC 批量制作
2013/10/24
中国科大 汪晓莲，刘建北
Yangbajing , Tibet 4300m a.s.l.
2013/10/24
中国科大 汪晓莲，刘建北
13
ARGO Experiment Hall: RPC carpet
IHEP-INFN collaboration Yangbajing
2013/10/24
中国科大 汪晓莲，刘建北
14
四、多气隙电阻板室
10
BESIII上基于RPC的muon探测系统
2013/10/24
中国科大 汪晓莲，刘建北
11
ATLAS上基于RPC的muon触发系统
2013/10/24
中国科大 汪晓莲，刘建北
12
Cosmic ray air-shower array detector
China-Japan Collaboration
STAR-TOF Tray的强子、电子鉴别本领
Байду номын сангаас
|1/β-1|<0.03
Hadron PID: (, K) ~1.6 GeV/c p ~ 3 GeV/c.
STAR Collaboration, PLB 616(2005)8
Clean electron PID can be obtained up to PT< 3 GeV/c. This has been used to measure the semi-leptonic decay of open charm. STAR Collaboration, PRL 94(2005)062301
• 信号小，需前端放大，对噪音控制要求高 • 气体放电产生的电荷量较小，电场恢复快，计数承受能力强
– 流光模式 （BESIII，BELLE，L3）
• 信号大，可以不用放大，信号读出简单 • 计数承受能力受限
2013/10/24 中国科大 汪晓莲，刘建北 9
应用实例
2013/10/24
中国科大 汪晓莲，刘建北
Mechanical tolerances: nominal minimum MRPC overall length 212.0 mm 211.5 mm width 94.0 mm 93.5 mm thickness 17.9 mm 16.9 mm
2013/10/24 中国科大 汪晓莲，刘建北
maximum 212.5 mm 94.5 mm 18.9 mm
2013/10/24
中国科大 汪晓莲，刘建北
3
二、平行板室
• 为获得好的时间分辨和计数能力，工作在雪崩模式 • 雪崩产生的电子迅速漂移到阳极，产生快信号，正离子则 较慢地向阴极漂移。 • 使用金属或金属化物制作电极，表面平整 • 气隙厚度0.5~2mm，气隙精度5~10m
• 气体增益控制为103~104
中国科大 汪晓莲，刘建北 21
2013/10/24
STAR-TOFr MRPC的结构设计
Module size：21.2×9.4×1.79 cm3 MRPC strip size：3.15cm×6.30cm Gas gap：6×0.22mm MRPC技术是由ALICE-TOF 组首先发展起来的 MRPC具有对最小电离粒子时间分辨好，探测效率高，造价低等优点
Upper limit: 50 Hz
Detection efficiency
中国科大 汪晓莲，刘建北
Noise rate
2013/10/24
29
MRPC性能检测结果 (II)
Lower limit: 80%
Upper limit: 120ps
Avalanche signal ratio
2013/10/24 中国科大 汪晓莲，刘建北
2013/10/24
中国科大 汪晓莲，刘建北
5
三、电阻板室 (RPC)
为了解决金属电极放电电流大，探测器死时间长， 计数率受限制的缺点，采用阻性板电极。
两种类型电极下，气体放电后的电场变化
金属电极 阻性电极
采用阻性电极后,放电局限在一个较小区域,电场也只在这个区 域受影响,其他区域电场仍为正常状态,对入射粒子保持灵敏,这 样整个探测器的计数能力大为提高.
25
MRPC宇宙线性能测试标准
Criteria of MRPC performance:
At 95% F134A and 5% isobutane, 14 kV, 50 mv threshold Dark current: < 2 nA Noise rate: Efficiency : <50 Hz for each channel > 90% Avalanche ratio: > 80% of ADC spectrum Timing resolution of 90% channels < 120 ps
26
建立宇宙线批量测试系统
•望远镜系统 •气体系统 •高压系统 •数据获取系统
能够对多个 MRPC同时进行 高精度、长时间 稳定测量
2013/10/24
中国科大 汪晓莲，刘建北
27
宇宙线测试装置
2013/10/24
中国科大 汪晓莲，刘建北
28
MRPC性能检测结果(I)
Lower limit: 90%
2013/10/24 中国科大 汪晓莲，刘建北 8
性能特点
• • • • • • • 结构简单，无拉丝等复杂工艺，成本低，易于大面积制作。 能够获得较好的时间(例如 ~1ns)和空间分辨(例如 ~1cm)。 可以有较高的计数承受能力(例如 ~100Hz/cm2)。 探测效率较高(例如 ~95%)，死区小。 占用空间小，维护简单。 信号读出方式灵活。 两种工作模式： – 雪崩模式 （ATLAS，CMS）
优良的时间分辨，同时仍保持 高的探测效率和计数能力。
2013/10/24 中国科大 汪晓莲，刘建北 16
应用实例
2013/10/24
中国科大 汪晓莲，刘建北
17
STAR 探测器
2013/10/24
中国科大 汪晓莲，刘建北
18
粒子识别
TPC测量粒子动量，TOF测量飞行时间
动量：p=mv 通过测量粒子在磁场中偏转的曲率半径。 由时间投影室测量径迹。 速度：l / t ， l 粒子的路径长度, t 所需的时间
Time resolution
30
月生产质量情况表
More stable at late production stage
2013/10/24
中国科大 汪晓莲，刘建北
31
MRPC mass production
2013/10/24
中国科大 汪晓莲，刘建北
32
STAR TOF
91 trays installed for run9. electronics test has been done: canbus, cat6, fibers, TCD, one of the multiplicity cable to TOF DSMI.
雪崩区头尾部电场的增强
2
2、构造和性能
• 分为平行板型和圆筒型，常用 的是多板火花室。 • 平行金属板（Fe或Al）电极， 彼此绝缘，间距3－10mm，也 可用金属丝作电极，类似多丝 正比室。 • 充以惰性气体或它们的混合气 体。 • 通过照像记录粒子径迹，也可 通过测量电极丝上的电流来测 量粒子径迹。 • 输出信号幅度大，效率高；电 极充电时间长，电场恢复时间 长,死时间较大。
• 信号上升沿快，小于1ns， 时间分辨100~250ps • 计数能力 ~10MHz/cm2 • 缺点：输出信号小，信噪比差。
2013/10/24 中国科大 汪晓莲，刘建北 4
实例：双气隙平板室
• 气隙厚度0.6mm • 工作气体： C2H2F4+25%DEM
• 时间分辨200ps
• 测量带电粒子飞行 时间
4×4 cm2 , 5 ×0.22mm 气隙 时间分辨<70ps
b) 6气隙12路读出MRPC
7×20cm2, 气隙 6×0.25mm Pad：3.1×3 cm2 效率97% 时间分辨<60ps
c) 10 气隙6 路读出MRPC
7×21cm2,气隙 10×0.25mm pad：6×3.1cm2 效率99% 时间分辨<50ps
2013/10/24 中国科大 汪晓莲，刘建北 6
构造
感应电极：在电荷漂移过程中，感应出信号。 前置放大
阻性电极板
常用电阻板材料 酚醛树脂板或玻璃板
代表性参数 电阻率：1010-1013 .cm 板厚：2mm 气隙：2mm
常用工作气体之一 氟里昂+i-C4H10+SF6
2013/10/24
中国科大 汪晓莲，刘建北
2013/10/24 中国科大 汪晓莲，刘建北 1
一、火花室
1、放电机制
• 平行极板之间电场强度 很高, 工作在放电区。
a. 初始电子和正离子的产生 → b. 电子雪崩 → c. 雪崩临界 → d. 头尾部光电子触发新的雪崩 → e. 流光形成 → f. 火花形成
2013/10/24 中国科大 汪晓莲，刘建北
7
放电机制和信号感应
• 电阻板室可以工作在雪崩模式或流光模式 • 放电产生的电子快速向阳极漂移,产生快信号,正离子则较慢地漂向阴极.
电场分布 雪崩模式 流光模式
N(t) = e(α-η)u-t N(t) = N0 忽略正离子慢感应信号，只考虑电子感应信号： i-(t) = e0N(t)*u-*E/V，N(t)：电子数，u-：电子漂移速度， ε：阻性极板介电常数， E/V = 1/(2b/ε + d)，因而 i-(t) = e0N(t)*u-/(2b/ε+d)，积分后能得到总感应电荷Qind 。 雪崩模式：Qind/Qtotal = ε/[(2b+dε)(α-η)]， 典型值~4% 流光模式：Qind/Qtotal = [(d-x)ε]/(2b+d ε) ，典型值~60%
2013/10/24 中国科大 汪晓莲，刘建北 22
MRPC TOF原型样机的研究
Neighbor CTB Tray
EMC Rails
FEE
85 ps, 2 meter path 28MRPC，24 made at USTC
2013/10/24
Completed Prototype 28 module MRPC TOF Tray installed in STAR Oct. ‘ 02 in place of existing central trigger barrel tray
§4-4 平行板电极型气体探测器
• 火花室
– Spark Chamber
• 平行板室
– Parallel Plate Chamber (PPC)
• 电阻板室
– Resistive Plate Chamber (RPC)
• 多气隙电阻板室
– Multi-gap Resistive Plate Chamber (MRPC)