朱偉平，王 義，馮笙琴

(1.三峽大學 理學院，湖北 宜昌 443002；2.清華大學 工程物理系 粒子技術與輻射成像教育部重點實驗室，北京 100084)

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

提高MRPC探測器計數(shù)率能力的方法主要有兩種：一種是降低MRPC探測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，清華大學在通過降低玻璃電極體電阻率提高探測器的計數(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)，采用這種低電阻率玻璃組裝的MRPC計數(shù)率能力高達70 kHz/cm2[4]，但這種低電阻率玻璃的價格是普通玻璃的數(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MRPC的計數(shù)率能力，同時還能降低探測器成本。本文分析MRPC計數(shù)率能力隨電極厚度的變化關系并研究幾種不同電極厚度MRPC的計數(shù)率能力，驗證降低電極厚度提高探測器計數(shù)率能力的可行性。

1 探測器計數(shù)率能力

探測器的計數(shù)率能力主要受感應電荷在極板中放電恢復時間τ的影響，恢復時間越短計數(shù)率能力越高，反之越低。利用DC模型[5]和二維電阻網絡模型[6]可分析影響MRPC計數(shù)率的因素。根據DC模型，有：

(1)

(2)

根據Inoue等[6]的二維電阻網絡模型，MRPC探測器的在維持正常工作下的計數(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σ遠大于ρν/d時，φ∝1/d2；當σ遠小于ρν/d時，φ∝1/d。

基于這兩種模型對探測器計數(shù)率能力與電極厚度關系的分析，認為降低電極厚度可提高探測器的計數(shù)率能力。

2 探測器結構

圖1 MRPC探測器結構

為研究電極厚度不同的MRPC探測器計數(shù)率能力，設計一種條形讀出MRPC，并采用4種不同厚度的普通硅酸鹽玻璃組裝4個結構一致的探測器。為增強實驗的可比性，除玻璃電極厚度不同外，其他各項材料及相關參數(shù)均保持嚴格一致。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。探測器結構如圖1所示，探測器共有8條讀出條，采用雙端讀出模式，條寬22 mm，長125 mm，條間間隙為3 mm；玻璃電極在中間陽極兩側呈三明治式對稱排列，這種鏡像對稱結構的MRPC可看成是由兩個獨立的5氣隙的MRPC堆疊而成，氣隙寬度為0.25 mm，采用尼龍魚線隔開，有效探測面積為200 mm×125 mm。實驗時將正高壓加在探測器的上、下電極上，負高壓加在中間電極上，感應出的正、負信號分別由位于中間PCB和上、下PCB上的讀出條收集。設定電極厚度分別為1.1、0.7、0.5及0.35 mm的MRPC分別為模塊1、2、3及4。

3 實驗及測試結果

3.1 X射線實驗

為探究通過降低電極厚度來提高MRPC計數(shù)率能力的可行性，首先采用X射線對探測器進行測試，觀察并記錄幾個電極厚度不同的MRPC探測器在不同本底條件下單位時間單位面積產生的信號個數(shù)(作為探測器的輸出計數(shù)率)以及探測器回路電流(作為探測器的計數(shù)輸出電流)。實驗流程如下：1) 將實驗室溫度設置為22 ℃；2) 將探測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的信號輸出端連接至NINOs前置放大電子學，并將閾值設置為1.6 V，然后將經前置放大器甄別的RPC信號輸入到電平轉換盒，最后將轉換的NIM信號輸入到CAEN N1145 scaler中進行計數(shù)。

圖2 X射線實驗布置圖

為獲知各MRPC相對準確的輸出計數(shù)率能力，需使探測器被輻照區(qū)域的X射線強度足夠均勻，即保證MRPC被輻照的面積盡可能小，為此，設計如圖2所示的實驗方案，在體積為32 cm×40 cm×4 cm的流氣測試盒前堆砌一堵面積為50 cm×60 cm、厚度為6 cm的鉛屏蔽墻，并在墻中間開一面積為1 cm×1 cm的小方孔，孔中心正對被測條的中心，因此，在X光機工作時X射線僅能從小孔透過并觸發(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)，同時將X光機放在距離測試盒2 m處的位置，以確保能獲得強度相對均勻的X射線。

在探測器正負電極上加高壓，使MRPC極板間電場強度達105 kV/cm左右。待探測器穩(wěn)定后開始測試，實驗采用自觸發(fā)模式。首先，在無X光條件下，用定標器N1145分別記錄這4個探測器的本底計數(shù)率作為探測器噪聲(均低于2 Hz/cm2)；然后，開啟X光機，用定標器記錄探測器在單位時間內的計數(shù)作為探測器的輸出計數(shù)率(噪聲計數(shù)相對很小，可忽略；被觸發(fā)面積為單位面積)，同時將高壓源N471顯示的電流記錄為探測器在相應本底條件下的計數(shù)電流，圖3為實驗數(shù)據的獲取系統(tǒng)。

圖3 X射線實驗數(shù)據獲取系統(tǒng)

圖4 各探測器計數(shù)電流隨X光機管電壓的變化

圖5 各探測器輸出計數(shù)率隨X光機外加電壓的變化關系

3.2 束流實驗

圖6 束流實驗布置

為進一步證實降低電極厚度可提高MRPC探測器的計數(shù)率能力，并獲知這幾種不同電極厚度的MRPC的有效計數(shù)率能力，于2013年在俄羅斯的JINR聯(lián)合核技術研究所進行束流測試。整個測試過程均采用能量為1.0 GeV/A、2～3 s/spill的氘離子束進行，其中，氘離子束由Nuclotron加速裝置提供[7]，圖6為束流實驗的實驗布置圖。S1～S5為閃爍探測器，MRPC探測器安插在閃爍探測器中間，并采用激光輔助準直。受TDC道數(shù)以及前端電子學個數(shù)的限制，1次最多只能對其中3個MRPC進行同時測試。FFD1和FFD2為切連科夫探測器，用于為系統(tǒng)提供參考時間，S1～S5的符合信號用于提供系統(tǒng)觸發(fā)以及TDC的開門信號。

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

圖7 探測效率和時間分辨隨高壓的變化

根據高壓掃描測試的結果，將模塊4的工作電壓分別設置為各自的最佳工作電壓，即6.8、6.8、6.7和6.6 kV，對探測器進行高壓煅煉使其達到穩(wěn)定后開始對探測器進行計數(shù)率掃描(0.5～3.2 kHz/cm2)。圖8為探測器的探測效率以及時間分辨隨計數(shù)率的變化關系，以探測效率高于90%、時間分辨優(yōu)于70 ps作為判定探測器計數(shù)率能力的分界點，則模塊1、2、3、4的計數(shù)率能力分別可達0.2、0.5、1.0、3.2 kHz/cm2。

圖8 探測器探測效率及時間分辨隨計數(shù)率的變化

4 結果分析與討論

針對各探測器最大輸出計數(shù)率、有效計數(shù)率能力與玻璃電極厚度的對應關系以及φ∝1/d或φ∝1/d2的推測，分別對MRPC的最大輸出計數(shù)率和有效輸出計數(shù)率與對應的玻璃電極厚度進行曲線擬合，得出MRPC探測器最大輸出計數(shù)率和有效輸出計數(shù)率均與玻璃電極厚度呈φ∝1/(a/d+b/d2)(a、b為常數(shù))的關系(圖9)。可看出，可通過降低電極厚度來提高MRPC探測器的計數(shù)率能力。但降低電極厚度的同時也會給玻璃電極的大面積生產帶來困難，還會給MRPC探測器的組裝帶來一定的困難。因此，在后期尋找相對合適的電極厚度并輔以電極加熱技術將是提高探測器計數(shù)率能力的一個重要課題。

圖9 探測器計數(shù)率能力與電極厚度的關系

5 小結

本文結合DC模型和二維電阻網絡模型分析了MRPC探測器計數(shù)率能力與電極厚度的關系，研究了4種不同厚度電極MRPC的計數(shù)率能力。實驗表明，電極厚度越低，MRPC計數(shù)率能力越強。證實了降低電極厚度提高探測器計數(shù)率能力的可行性。

參考文獻：

[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.