多氣隙電阻板室飛行時間譜儀技術*

2019-06-04 05:32:02王義張秋楠韓冬李元景

物理學報 2019年10期

關鍵詞：實驗

王義張秋楠韓冬李元景

(清華大學工程物理系,粒子技術和輻射成像教育部重點實驗室,北京 100084)

1 飛行時間譜儀和多氣隙電阻板室

現代物理實驗中粒子鑒別是非常重要的,其中飛行時間譜儀(TOF)在質子,K介子,π 介子以及電子的鑒別中發揮了重要作用.飛行時間譜儀通過測量帶電粒子的飛行速度以達到測量粒子質量的目的.我們知道：

其中m是粒子質量,L是飛行距離,t是飛行時間.可以看出,通過測量粒子的飛行時間,可以得到粒子質量.對于具有相同動量p,質量分別為m1,m2的兩種粒子,其飛行時間差可表示為

由于pc=βE,其中E是粒子能量,則有：

由于p?mc,則 (mc/p)4→0,因此可以得到下列近似：

將(4)式代入(3)式,可以將粒子鑒別能力nσTOF表示為

其中σTOF為飛行譜儀系統的時間分辨.圖1顯示了不同時間分辨的飛行時間譜儀系統的粒子鑒別能力.可以得到,系統時間分辨越高,粒子鑒別能力越強.在飛行距離為8 m時,對于60 ps 的時間分辨,對動量為4 GeV/c的 π/K 鑒別能力可達3σ,如果要求對于7 GeV/c的 π/K 鑒別能力達到3σ,則時間分辨需達到20 ps.

圖1 幾種不同時間分辨飛行時間譜儀系統的 π/K 鑒別能力,飛行距離L = 8 mFig.1.π/K separation power of TOF system with different time resolution,flight distance L = 8 m.

早期的飛行時間譜儀一般采用快閃爍探測器技術[1],由于存在強磁場,信號讀出通常采用抗磁場的光電倍增管,雖然系統時間分辨能夠達到100 ps量級,但系統造價較高,而且閃爍體存在輻照損傷.20世紀90年代后期,一種新型的氣體探測器——多氣隙電阻板室(MRPC)以其優異的時間分辨和相對便宜的造價,在物理實驗的粒子鑒別中得到了廣泛應用.圖2是MRPC探測器的典型結構圖.MRPC的顯著特征有以下幾點[2]：1)采用阻性電極,電極體電阻率達1010―1012Ω·cm；2)采用阻性高壓層,面電阻率達 kΩ―MΩ/□；3)中間極板通過靜電感應獲得相應電位；4)工作氣體為氟里昂(C2F4H2)等強電負性氣體；5)氣隙寬度為100―300 μm,氣隙中場強達105V/cm量級以上；6)感應讀出,讀出可以為塊狀或條狀.

圖2 MRPC探測器結構示意圖Fig.2.The structure diagram of MRPC.

MRPC探測器一般工作于雪崩模式,其時間分辨小于100 ps,探測效率高于95%,耐輻照,性能穩定,已被眾多物理實驗(如美國RHIC-STAR,LHC-ALICE等[3-5])采用,用來建造飛行時間譜儀.

最初的MRPC采用浮法玻璃研制[6],由于玻璃電阻率高(約為1012Ω·cm量級),適用于粒子計數率較低的環境,隨著加速器能量和實驗亮度的提高,物理實驗對MRPC飛行時間譜儀的粒子計數率和時間分辨要求也隨之提高,研制MRPC的電極材料,讀出電子學及時間分析方法都進行了改進.根據這些方面的不同,到目前為止,MRPC飛行時間譜儀技術可以歸納為三代,它們的性能特征及差別如表1所示.

表1 三代MRPC飛行時間譜儀性能列表Table 1.Performance of three generation MRPC TOF.

自2000年以來,我國的清華大學、中國科學技術大學、中國科學院上海應用物理研究所、華中師范大學以及山東大學等單位先后加入了RHICSTAR,FAIR-CBM及JLab-SoLID等國際合作組,在這些合作組相應物理實驗的飛行時間譜儀的設計建造、運行刻度及數據分析中,中國合作組均做出了巨大貢獻.尤其是清華大學和中國科學技術大學在MRPC探測器研制、批量建造、質量控制等方面,都取得了舉世矚目的成績,得到國際同行的認可.下面以典型物理實驗來介紹三代譜儀的組成結構及性能.

2 第一代MRPC飛行時間譜儀

典型的第一代飛行時間譜儀是為RHICSTAR和LHC-ALICE實驗所建造的.以美國布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機(RHIC)上的螺旋形徑跡探測器(STAR)為例,其飛行時間譜儀位于中心探測器(時間投影室)的外圍,總面積約60 m2.MRPC的結構及照片如圖3所示.MRPC由厚度為0.7 mm的普通浮法玻璃制成,包含六個氣隙,氣隙寬度為0.22 mm.探測器包含6個讀出塊,讀出塊面積為3.1×6.0 cm2.工作氣體為95%的氟利昂和5%的異丁烷的混合氣體,工作場強為106 kV/cm.束流測試表明,其時間分辨可達60 ps[7].整個TOF由120個tray組成,每個tray里面有32個MRPC,因此整個TOF含有3840個MRPC,電子學通道數為23040.圖4為集成好的tray的照片.Tray一端包括氣體,高壓等接頭,頂板上集成有電子學.

圖3 STAR-TOF MRPC結構及照片Fig.3.Structure and picture of STAR-TOF MRPC.

圖4 STAR-TOF tray集成照片Fig.4.Picture of STAR-TOF tray.

MRPC輸出的差分信號經過50 cm的扁平電纜與基于NINOs芯片的差分快前放電路連接,這樣可以有效降低噪聲,提高時間精度.NINO差分放大器是歐洲核子研究中心(CERN)的研究小組采用ASIC技術開發的[8],已被多個實驗所采用,其主要特性有：差分輸入,上升時間小于1 ns,輸出為LVDS信號,信號寬度TOT代表信號電荷大小,低功耗(45 mW/channel).TDC也是由CERN研制的基于ASIC技術的HPTDC[9],也已被很多實驗采用,其每道的時間精度達到25 ps.

系統的定時采用過閾定時方法,而信號過閾時間與信號上升時間或信號幅度有很大關系.一般采用時間幅度校正(slewing correction)的方法來修正這個定時誤差,圖5顯示了由于信號上升時間或幅度不同所造成的時間游走的原理.時間游走造成了圖6所示的時間幅度關系,可以看出,幅度越小,時間游走越大.一般采用多項式進行slewing correction.STAR飛行時間譜儀從2009年建成以來,一直穩定運行,在實驗中發揮了重要作用,取得了多項物理成果.圖7顯示了STAR-TOF的粒子鑒別能力,可以看出,對 p/(K,π)的鑒別能力達到3 GeV/c.圖8表示STAR合作組于2011年在金金對撞中捕獲到的反氦核的信號[10].該發現具有重要意義,證明了宇宙早期反物質的存在.

圖5 時間游走原理圖Fig.5.Schematic of time slewing.

圖6 對MRPC的時間幅度信號進行校正,以修正定時誤差Fig.6.Slewing correction of MRPC to improve time precision.

圖7 STAR-TOF的粒子鑒別圖Fig.7.The PID of STAR-TOF.

圖8 上圖和中圖是通過STAR-TOF測得的帶電粒子質量和能量損失的二維圖；下圖是帶電粒子質量的一維圖,反氦4核的質量等于3.73 GeV/c2.利用飛行時間譜儀,在10億次碰撞產生的5000億條徑跡中清晰地分辨出18個反氦4物質Fig.8.The top two panels show the dE/dx of charged particles as a function of mass measured by the TOF system；The bottom panel shows the mass distribution of charge particles.The mass of antimatter helium-4 nucleus is 3.73 GeV/c2.18 antimatter helium-4 nucleus are discriminated from around 500 billion tracks generated by one billion collisions.

3 第二代飛行時間譜儀

典型的第二代飛行時間譜儀是德國FAIR[11]上的CBM-TOF[12].與RHIC和LHC不同,FAIR的重離子碰撞是固定靶實驗,能量每核子可達40 GeV.CBM (compressed baryonic matter)實驗的研究目標包括高重子數密度區間的QCD相結構、相變線上連接連續相變和一級相變的臨界點位置、致密物質中媒質效應對強子性質的影響、尋找理論預言的新相——夸克素物質和物質的奇特態.根據模擬,CBM飛行時間譜儀中心區域粒子計數率高達20 kHz/cm2.第一代飛行時間譜儀無法滿足CBM-TOF要求.這對MRPC飛行時間譜儀是一個巨大挑戰.我們知道,MRPC探測器的計數率能力與氣隙中的壓降有直接關系[13]

式中Vap為外加高壓,Vgap為氣隙中的有效電壓,φ為粒子計數率,q為雪崩電荷量,ρ為電極體電阻率,d為電極厚度.可以看出,與粒子計數率、雪崩電荷量、電極體電阻率和電極厚度均有關系.但大幅度提高計數率的最有效途徑是降低電極體電阻率ρ[13].從2008年開始,我們一直致力于研制性能優良的低電阻玻璃.通過改進玻璃材料成份,研究制作工藝,經過多次實驗,終于研制成功TUYKLRG10型低電阻玻璃,玻璃性能如表2所列[14].

表2 低電阻玻璃性能Table 2.The performance of low resistive glass.

由于MRPC電極間的氣隙窄,氣隙中的場強高,因此對電極材料的厚度均勻性、表面光滑度均有很高要求,我們研制的低電阻玻璃這些主要性能與浮法玻璃接近,實驗證明可以用作MRPC的電極材料.另外玻璃高壓測試累積電荷達1 C/cm2,這相當于CBM-TOF最高計數率區域工作五年的累積電荷,能夠保證探測器的長期穩定工作.采用此低電阻玻璃,我們研制了讀出塊和讀出條的高計數率MRPC原型,并赴德國德累斯頓Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf(HZDR)采用其強流電子束流測試了探測器在強束流下的性能,結果如圖9所示.可以看出,探測效率和時間分辨均受計數率的影響,即使計數率達到70 kHz/cm2,MRPC探測器效率仍高于90%,時間分辨優于80 ps.原型探測器的性能大大超過了CBM-TOF的要求.

CBM合作組已采用我們的技術建造飛行時間譜儀系統.圖10為CBM-TOF探測器結構圖[16],其中MRPC1,MRPC2和MRPC3a均采用低電阻玻璃制造,MRPC3b和MRPC4采用超薄浮法玻璃制造,總面積約120 m2,電子學道數達10萬道.前端電子學采用PADIX,時間數字化采用GET4,電子學的時間抖動小于30 ps.

圖9 測試得到的MRPC探測效率和時間分別隨粒子計數率的變化[15]Fig.9.Measured efficiency and time resolution of MRPC change with particle rate.

圖10 CBM-TOF結構Fig.10.The structure of CBM-TOF.

清華大學負責了高計數率MRPC3a的設計與制造,中國科學技術大學負責MRPC3b和MRPC4的設計建造.這三種探測器的結構類似,只是電極材料不同.圖11所示為MRPC3a的照片.該探測器采用兩層結構,每層4個氣隙,共8氣隙,氣隙寬度為0.25 mm.探測器共有32個信號讀出條,讀出條尺寸為27 cm×1 cm.CBM飛行時間探測器模塊由五個MRPC組成,為了減小噪聲,前放PADIX也放置在氣盒中,如圖12所示.

采用束流測試MRPC3a探測器的性能,結果如圖13所示[17].可以看出,探測器時間分辨達50 ps,效率達97%,簇大小為1.6.這些性能均達到或超過CBM-TOF的要求,可以用于建造CBM-TOF系統.

圖11 MRPC3a探測器照片Fig.11.Picture of MRPC3a.

圖12 由5個MRPC和相應電子學組成的飛行時間探測器模塊Fig.12.CBM-TOF module is consisted of 5 MRPC counters and related electronics.

圖13 不同PADI閾值下,MRPC3a探測器的時間分辨,探測效率和簇大小Fig.13.Time resolution,efficiency and cluster size of MRPC3a at different threshold of PADI.

CBM-TOF的電子學由德國GSI實驗室研發,ASIC放大器為PADIX[18],TDC為GET4[19].二者組成系統的時間抖動小于30 ps,保證了CBM-TOF系統的高分辨時間性能.目前我們已經開始高計數率MRPC的批量生產,圖14顯示了在同方威視公司密云生產基地批量生產的照片.

由于CBM實驗2025才開始運行,我們將MRPC首先用于美國RHIC-STAR實驗的端部飛行時間譜儀(STAR-eTOF[20])上.STAR-eTOF由36個模塊組成.每模塊包含3個MRPC,總共由108個MRPC組成.這樣一方面可以檢驗MRPC的性能,另一方面可以進行STAR的二期能量掃描實驗,取得相應的物理結果.圖15表示2018年STAR實驗28 GeV金金對撞的粒子鑒別結果,可以看出系統對P/(K,π)的鑒別能力可達3 GeV/c.至2018年底,STAR-eTOF全部建成,將在STAR二期能量掃描中發揮重要作用.

圖14 同方威視公司密云生產車間正在進行高計數率MRPC的批量生產Fig.14.High rate MRPC were produced at Miyun manufacture base of NUCTECH Ltd.

圖15 STAR-eTOF的粒子鑒別Fig.15.The PID of STAR-eTOF.

4 第三代飛行時間譜儀

第三代飛行時間譜儀的典型要求是在高本底下達到優秀的時間性能.如美國JLab實驗室A實驗大廳將要建造的高亮度大接收度譜儀(SoLID)[21]采用11 GeV的高能電子打靶來研究核子結構,其飛行時間譜儀要求對K/π的分辨能力達到7 GeV/c,因此時間分辨要求達到20 ps,并且本底粒子計數率達到20 kHz/cm2.這等于是在第二代高計數率飛行時間譜儀的基礎上,進一步提高時間分辨.我們知道,整個TOF系統的時間抖動包括MRPC和電子學的時間抖動：

要使σTOF小于20 ps,則MRPC的時間抖動σMRPC和電子學系統的時間抖動σelectronics都必須小于 14 ps.我們知道,窄氣隙MRPC的本征時間分辨可達10 ps,但是第一二代飛行時間譜儀所用的電子學 NINO (PADIX)+ HPTDC (GET4)的時間抖動一般大于20 ps.這樣必須采用高速波形采樣技術如高速開關電容陣列SCA或者高速FADC.這種技術路線如圖16所示.MRPC包含32個氣隙,氣隙寬度為104 μm.高速電流放大器需采用差分輸入,帶寬大于350 MHz,高速波形采樣可以采用DRS4-V5芯片,其采樣率可達5 GHz.

圖16 高時間分辨MRPC及讀出電子學Fig.16.High resolution MRPC and read out electronics.

一般地,根據得到的輸出波形,可以采用常規的過閾定時和時幅校正技術分析MRPC的時間性能.由于上述方法只利用了波形的過閾時間點和波形積分信息,忽略了波形上升沿、達峰時間點等關鍵信息,因此常規分析方法存在一定局限性.因此可以采用先進的深度學習方法來得到入射粒子到達MRPC的時間點,準確地說是入射粒子在MRPC中發生初始電離的時間點.如圖17所示,可以采用機器學習方法,從信號波形得到粒子到達MRPC的精確時間點ta.通過構建深度神經網絡,搭建完整的MRPC蒙特卡羅模擬系統,為神經網絡提供訓練樣本,得到粒子入射到MRPC的精確時間點[22,23].

為此,我們建立一套完整的MRPC模擬系統,從模擬工作氣體參數開始,綜合考慮初級電離能量沉積、電離位置分布、電離的雪崩倍增、信號感應與成型以及電子學響應等過程,模擬得到MRPC探測器的輸出信號,以此作為深度學習的樣本.

圖17 粒子到達MRPC的時間點 ta可以由信號波形前沿得到Fig.17.The time point taof particle arriving at MRPC can be obtained from pulse shape.

采用長短期記憶網絡(LSTM)進行學習,如圖18所示.其輸入為信號前沿各時間點,輸出為粒子到達時間點ta.

對圖16中提出的32氣隙MRPC進行模擬分析,結果如圖19所示.分別使用時幅校正和神經網絡LSTM進行探測效率和時間分辨率的分析,可以看出,當使用LSTM方法時,效率一樣,但時間分辨較好.兩種分析方法得到的效率坪區的時間分辨均優于20 ps.這證明了設計方案的可行性.

同時也進行了實驗驗證.研制出圖16所示兩個結構相同的MRPC探測器,電子學采用高速前放和基于DRS4[24]的波形采樣電路,采用宇宙射線進行了測試.工作氣體為90%的氟利昂,5%的異丁烷和5% SF6的混合氣體.氣隙中工作場強為150 kV/cm,達到了效率坪場強.分別采用時幅校正和LSTM網絡方法分析MRPC的時間分辨.采用時幅校正得到的時間分辨是19.8 ps.圖20是采用神經網絡分析的結果,可以看出,神經網絡分析結果較好,達到16.7 ps.

圖18 用于MRPC時間重建的LSTM網絡架構Fig.18.The structure diagram of LSTM network used for time reconstruction of MRPC.

圖19 模擬得到MRPC探測效率和時間分辨隨氣隙場強的變化,可以看出,采用LSTM網絡法重建出的時間分辨比時幅校正得到結果要好Fig.19.Simulated efficiency and time resolution of MRPC change with electric field in the gas gap.It can be seen the time resolution reconstructed with LSTM network is better than with slewing correction.

圖20 采用LSTM網絡方法分析得到MRPC的測試時間譜Fig.20.Time spectrum of MRPC in cosmic test analyzed with LSTM network.

5 總結

本文著重介紹了MRPC飛行時間譜儀的主要技術特點及演變過程.從MRPC發明之初的百ps時間分辨,幾百Hz/cm2的粒子計數率能力,發展到現在16 ps的時間分辨,70 kHz/cm2的高計數率能力,我們在MRPC探測器的物理機理、電極材料、讀出電子學和時間重建方法等方面都進行了深入研究,取得了豐碩的成果.隨著加速器能量、流強和物理實驗要求的提高,技術上對飛行時間譜儀的要求會越來越苛刻.除了研究更高計數率、更高時間精度的技術外,當今國際上對該類阻性電極探測器的研究還有以下幾方面熱點：

1)新型環保工作氣體研究.MRPC的標準工作氣體F134a和SF6的溫室效應都比較顯著,尋找替代氣體刻不容緩.目前歐洲核子研究中心的ATLAS和CMS實驗組均在進行相關研究[25],也取得了一定的進展；

2)在工業及醫學方面的應用.應用于科學的探測器只有得到工業及醫學的廣泛應用才能獲得強大的生命力和技術資金支持.MRPC以其優異的時間性能和位置分辨能力,在醫學正電子湮滅斷層成像技術[26]、宇宙射線繆子無損檢測技術[27]等方面具有很好的應用前景.