时间投影室原理及其应用

时间投影室是一种广泛应用于大型物理实验的粒子鉴别探测器,它通过粒子径迹产生电离电子的漂移时间和漂移方向的投影位置确定径迹三维坐标,具备较好的能量分辨和很高的位置分辨能力。自时间投影室被发明以来,已广泛应用于国外的大科学实验装置上,在对撞机和固定靶实验等方面均发挥了很大的作用。虽然国内的科研机构在早期对时间投影室进行过一些初步研究,但由于技术的限制并没有展开过很多应用。近十年间,伴随着锦屏地下实验室的PandaX-Ⅲ实验的开展、东莞中国散裂中子源等一批科研装置的落地、环形正负电子对撞机的概念设计完成,时间投影室作为主径迹探测器在这些实验中承担了很大一部分工作,并已进行了更多的研发和使用。现阶段有必要对时间投影室在国内外的具体应用与发展进行梳理,本文先梳理出时间投影室的发展历史、工作原理和现状以及时间投影室上核心读出探测器的发展,然后介绍时间投影室在国外大科学实验装置上的应用和最新进展,最后给出时间投影室在国内科研项目上的应用。以此为时间投影室下一步的研发与应用奠定基础。

应用于时间投影室的光刻一体化微结构探测器性能研究

时间投影室(Time Projection Chamber,TPC)可以同时测量时间和位置信息,光刻一体化微结构探测器作为其读出探测器具有抗干扰性强、均匀性好、透过率高的特性。为了寻找探测器最佳的工作条件,使用55Fe豁免源测试了实验室研制的流气型光刻一体化微结构探测器在不同Ar和CO_(2)比例下的增益、能量分辨率以及在最优气体比例下的均匀性。根据测试结果,探测器在85%Ar和15%CO_(2)混合气体下增益达到最大,超过104,增益均匀性为3.26%,达到目前国际上光刻微结构探测器同等水平。对雪崩区厚度分别为100μm、160μm和220μm的3种光刻一体化微结构探测器增益及其均匀性进行比较,雪崩区厚度为160μm的探测器是更优的选择。研制了密闭型微结构探测器,通过测试证明,可以在常温常压下正常工作21天以上。闭气模式下探测器的增益与温度呈负相关,与流气模式下相反,两种模式下的能量分辨在短期内都不受小范围温度变化影响。

活性靶时间投影室的技术概述

时间投影室是广泛用于高能核物理实验径迹成像的探测器,近些年来经过改造后多用于低能核物理实验.小体积、大的能量动态范围以及近4π的可探测立体角范围,使时间投影室具备完整重建三维动力学的功能.时间投影室工作腔室中填充的气体既被作为探测器的工作介质,同时又被当作靶材料,即为活性靶时间投影室.为实现上述功能,可在探测器结构中引入微结构气体放大器,并在数据分析中引入三维径迹重建算法.本文阐释了活性靶时间投影室的工作原理,分析比较了其相对于传统固体靶的独特优势,概述了活性靶时间投影室结构设计所涉及的技术,包括场笼的设计、工作气体的选择原则、气体倍增技术以及读出技术,最后介绍了数据分析流程及方法,重点介绍了噪声分离、径迹识别和物理参量提取步骤.

时间投影室模型的电场模拟研究

本文报道一个时间投影室（ＴｉｍｅＰｒｏｊｅｃｔｉｏｎＣｈａｍｂｅｒ，ＴＰＣ）模型（１００ｍｍ×１００ｍｍ×５８ｍｍ）的设计和利用矩阵电容法计算ＴＰＣ内电场强度的结果。在ＴＰＣ漂移区配置等压环后，在Ｘ±３０ｍｍ和Ｘ±４０ｍｍ区域内，漂移区电场均匀度分别为０．９％和３％。

液氩时间投影室中γ光子重建的研究

通过分析用 GEANT产生的 1 0 0个事例样本 ,确立了判选光子所产生的 Com pton电子径迹的第一和第二顶点的一种方法。基于此方法 ,可以很好地对 L Ar- TPC中产生 Compton电子的 6 .1 3Me V光子的动量和方向完成重建。

应用Kalman filter建立时间投影室的径迹重建算法

建立直线径迹模型,详细验证将其用于Kalman filter小型时间投影室径迹重建算法的正确性.结果表明径迹参数在一定的击中点下能够收敛到真实值.实际的径迹重建程序在MarlinTPC框架下实现.通过合理地选择径迹重建参数,程序能够有效地对噪声进行甄别并重建出径迹.本算法对大型时间投影室的径迹重建有借鉴意义.

小型活性靶时间投影室性能研究

本文设计了使用64路一维读出条的小型活性靶时间投影室,并对其性能进行了测试,其气体室的灵敏体积为10cm×10cm×14cm,通过连接2层厚气体电子倍增器进行电子放大.为改善场笼边缘的电场不均匀性,引入场笼环的设计结构.当场笼环加高压为-950 V时,测得α粒子沿漂移电场方向的径迹位置分辨小于0.2 mm,径迹角度分辨小于0.6°,时间分辨小于20 ns.活性靶时间投影室的工作气体为96%He+4%CO2.实验中也观察到了清晰的α粒子在He气上的弹性散射事件.

基于MPGD时间投影室位置分辨率及响应函数的研究

位置分辨率是衡量时间投影室工作性能的重要指标。论文首先介绍了时间投影室位置分辨率的基本理论。在已有理论的基础上,针对两种不同的MPGD探测器,对时间投影室原型机的位置分辨率做了计算。同时还预测了未来ILC上时间投影室的位置分辨率能够达到的水平。此外,对与位置分辨率紧密相关的响应函数也做了研究。

兰州重离子储存环外靶实验终端时间投影室的动量分辨率模拟

时间投影室(Time Projection Chamber,TPC)是在多丝正比室(Multi Wire Proportional Chamber,MWPC)和多丝漂移室(Multi Wire Drift Chamber,MWDC)的基础上发展起来的一种高空间分辨粒子径迹探测器。因其具有很高的位置分辨能力,从而可以获得很好的动量分辨率。在开展兰州重离子储存环外靶实验终端CEE(Cooler-Storage-Ring External-target Experiment)-TPC的建造之前,估算CEE-TPC的动量分辨能力是一项很有必要的工作。基于Geant4和Kalman Filter等模拟程序,对时间投影室探测器测量带电粒子的整个过程进行了蒙特卡罗模拟,给出了CEE-TPC探测不同种类的带电粒子的动量分辨率,并且对影响探测器动量分辨率的因素进行了分析。通过模拟计算,得到了CEE-TPC对?介子、质子和氘核的典型动量分辨率在5%左右,能够较好地鉴别这三种粒子,为未来CEE-TPC的建造提供了可供参考的技术参数。

基于GEM工艺的裂变时间投影室性能模拟研究

基于GEM工艺的裂变时间投影室具有探测效率高和空间分辨率高的特点,可实现裂变产物的多参量测量.本文主要研究基于GEM工艺的裂变时间投影室在不同条件下的测量精度,使用Garfield++软件计算得到裂变时间投影室中不同的裂变产物质量数测量误差约为4-6u,并通过时间信息的径迹重建研究了裂变碎片在不同工作气体中的角度分辨.研究发现,电子漂移时间长的工作气体中,裂变产物具有更好的角度分辨,并可依此在实验中选择合适的工作气体、气压和漂移电场强度来进行裂变碎片的测量.

大型时间投影室原型机中径迹重建方法的研究

介绍了大型时间投影室原型机中的径迹重建算法。算法采用了track following作为寻迹方法,并使用Kalman滤波器作为径迹参数计算方法。同时Kalman滤波器也能给出对信号和噪声击中甄别量。使用蒙特卡罗方法模拟得到的事例对程序在大型原型机中的重建性能作了测试。测试结果表明程序能够正确地重建径迹,径迹的拟合优度以及动量分辨率均与预期一致。重建程序现已用于原型机测试实验的数据分析之中。

基于GEM探测器的时间投影室TPC的讨论

自20世纪90年代以来,GEM探测器以其高电子倍增、高空间分辨和高计数率等优势在粒子物理和辐射成像等领域得到了广泛和深入的研究,具有广阔的应用前景．如果将GEM作为读出探测器应用在时间投影室TPC系统上,和传统的读出方式比较起来,既有许多优点也有许多挑战．目前世界上有许多机构正在研究将此方案用于将来的大型正负电子对撞机ILC．本文论述了这些研究课题的概况,讨论了TPC的各项关键性能指标与GEM探测器的关系及存在的问题．

用于核天体物理实验的活性靶时间投影室

发生在中子星壳层内的丰中子熔合反应对中子星演化以及X射线超级爆等现象均会产生影响。受限于放射性束流强度和反应机制的复杂性,实验数据极其缺乏,难以有效约束理论模型。基于活性靶技术的时间投影室(Time Projection Chamber,TPC)将工作气体作为反应靶,具备近4π立体角接受度和三维径迹重建能力,能够实现对反应事件的全记录,显著提高了探测效率,大幅降低了熔合反应截面测量对束流强度的要求。我们研制了240路信号读出的TPC,并使用放射性束流^(16)N对探测器进行了测试,探索了该实验方法的可行性和有效性。为了得到更加精确的反应产物径迹,对反应事件做出更好的筛选,进一步发展了1024路信号读出TPC,并开展了^(12)C+^(12)C库仑位垒附近熔合反应截面测量实验,初步实验结果与已有实验数据符合较好。

RHIC-STAR时间投影室的升级

位于美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机RHIC计划于2019–2020年进行能量扫描二期实验项目,其主要科学目标是研究强相互作用物质的相结构并寻找相变临界点. STAR时间投影室内扇区丝室升级(inner TPC, iTPC)是该项目关键的探测器升级. iTPC升级将拓展STAR带电粒子测量的赝快度覆盖区间,并提高动量及能量损失测量的分辨率. iTPC升级将重新制作包括读出丝室和电子学在内的全部24块内扇区模块. iTPC丝室包括阳极丝、阴极丝、门极丝共3层丝面,丝张力及丝面的高度都需要高精度控制.我们设计了丝张力精密测量装置以及高精度丝面安装系统,高质量完成了全部iTPC丝室探测器的研制.实现了探测器增益均匀性1.5%(RMS)、能量分辨率25%(FWHM),及强辐射环境下稳定工作的出色性能,已在STAR实验安装并开始实验运行.

基于GEM工艺的裂变时间投影室中裂变碎片的讨论

基于GEM工艺的裂变时间投影室兼具GEM工艺的高计数率、高空间分辨本领等优点,我们拟通过裂变时间投影室在单次测量中准确获取裂变产物的核电荷数、质量数以及能量等多种信息。本文主要讨论了基于GEM工艺的裂变时间投影室中工作气体的种类、气压以及裂变碎片在气室中的能量损失和有效电荷问题,发现对于轻重两种裂变碎片的能量损失而言,重裂变碎片的分布宽度更窄。并针对裂变碎片在气室中的能量损失,提出了一种通过裂变碎片的有效电荷获取核电荷数的方法。这对于裂变时间投影室的研制工作以及实现裂变产物的多参量测量具有重要意义。

低温高密核物质测量谱仪时间投影室的集团重建

低温高密核物质测量谱仪(CEE)是研究高重子数密度区核物质性质的重离子碰撞实验谱仪。使用了先进的SAMPA电子学读出芯片的时间投影室(TPC)是CEE最核心的探测器。在集团重建的过程中,同一排读出板的信号被首先重建成2维集团,然后根据2维集团的ADC加权平均位置重建击中点。当信号ADC随漂移时间变化呈峰-谷-峰结构时,一个集团可能被重建成两个或更多击中点,从而提高双径迹分辨能力。使用模拟信号的测试显示,该重建算法在方向可以达到0.100/0.043 cm的位置分辨能力和1.1/2.8 cm的双径迹分辨能力。

液氩探测器在稀有事例探测中的应用和发展

稀有事例探测是近几年热门的粒子物理前沿课题,如暗物质、无中微子双贝塔衰变、中微子-核子相干弹性散射等实验都在逐渐被规划和实施.进行稀有事例探测要求探测器有极佳的性能,同时对环境本底有很高的要求,因此探测器和相关材料的选择是稀有事例探测的一个重要课题.液氩因为成本低、闪烁性能好、体积限制较小等优势成为稀有事例探测器的一种重要介质.经过几十年的发展,单相液氩闪烁体探测器和两相氩时间投影室成为两种常见的液氩探测器类型,并开始被国内外各实验组应用于稀有事例探测实验中.本文首先对两种常见的液氩探测器的原理和特性进行介绍,然后详细介绍国内外相关稀有事例探测实验组对液氩探测器的研究和应用现状以及未来规划,最后讨论未来液氩探测器在稀有事例探测中的应用前景和优化方向.

在十厘米尺度的圆柱形聚四氟乙烯探测器内壁涂敷TPB的初步研究

液氦时间投影室(ALETHEIA)是一个原创的低质量(100 MeV/c^(2)—10 GeV/c^(2))暗物质探测装置.入射粒子在液氦时间投影室中与液氦发生相互作用会产生80 nm长的闪烁光.目前尚无商用光电读出器件可以直接高效读取该闪烁光.为此,需要波长迁移剂(wavelength shifter)先将其转换为可见光,然后再用商用光电读出器件探测之.在参考国际相关类似涂敷试验装置的基础上,利用改进的气相沉积法成功地在直径和高度均为10 cm的圆柱形聚四氟乙烯(PTFE)容器内壁涂敷1.50—3.02μm.厚的TPB(tetraphenyl butadiene, 1,1,4,4-四苯基-1,3-丁二烯)涂层.此工艺方法对其他需要在圆柱形探测器内壁涂敷TPB或者其他类似材料的试验具有参考价值.本文对TPB涂层的涂敷原理、盛放TPB粉末的源的设计、涂敷工艺、涂层厚度监测等方面进行阐述.

液氙探测技术在医学成像上的研究进展

单光子发射计算机断层成像(single photon emission computed tomography,SPECT)和正电子发射断层成像(positron emission tomography,PET)是一种重要的功能性医学成像技术。其功能在于研究疾病产生过程和追踪器官中放射性标记同位素,可用于早期癌症筛查、疾病病理学研究、指导新药开发。目前使用的SPECT和PET系统大部分是以晶体闪烁体作为介质的晶体探测器。基于液氙的探测技术是一种新型的粒子探测技术,液氙中可以同时产生闪光和电离两种信号,液氙探测技术通过光信号和电荷读出相结合性能大大超过了传统的晶体探测器的性能。我们综述了近年来液氙探测技术在医学成像实验中的研究进展。

双β衰变的探测

在内华达州的Hw(?)er坝内隧道深处即将进行探测极稀有亚原子事件双β衰变的实验。加利福尼亚大学的科学家们认为,这个长达一年的实验将加深我们对物质基本特性的了解,并且对预期宇宙的最终结果会起一定的作用。