电极厚度对MRPC计数率能力的影响

朱伟平，王 义，冯笙琴

(1.三峡大学 理学院，湖北 宜昌 443002；2.清华大学 工程物理系 粒子技术与辐射成像教育部重点实验室，北京 100084)

MRPC(multi-gap resistive plate chamber)是近年来迅速发展的一种新型气体探测器，由于具有时间分辨好、探测效率高、造价低廉以及容易大面积制造等特点，因而被广泛用于建造高能物理和核物理实验中的大型飞行时间探测系统。例如，大型强子对撞机LHC上的ALICE飞行时间探测器[1]、相对论重离子对撞机RHIC上的STAR飞行时间探测器等[2]。然而，随着加速器能量和束流亮度的提高，对用于建造飞行时间(TOF)探测系统的MRPC探测器计数率能力的要求也迅速提高。德国的压缩重子物质实验计划使用MRPC搭建面积为120 m2的飞行时间探测系统，为获得25 GeV/A能量条件下对π介子、K介子的分辨能力达到4 GeV/C，它要求TOF探测器在粒子计数率高达20 kHz/cm2的条件下保持探测效率高于90%，时间分辨优于80 ps[3]。通常，用于组装MRPC探测器的普通玻璃电极厚度为1.0 mm左右，探测器的计数率能力约为200 Hz/cm2，远不能满足下一代高亮度物理实验的要求。

提高MRPC探测器计数率能力的方法主要有两种：一种是降低MRPC探测器阻性电极的体电阻；另一种是提高读出前放的灵敏度。其中，清华大学在通过降低玻璃电极体电阻率提高探测器的计数率能力方面取得了重大突破，研制了一种低体电阻率玻璃(体电阻率为1010Ω·cm量级)，采用这种低电阻率玻璃组装的MRPC计数率能力高达70 kHz/cm2[4]，但这种低电阻率玻璃的价格是普通玻璃的数十倍，目前可加工的最大尺寸也仅为32 cm×30 cm。理论上，降低用于组装MRPC的阻性电极的厚度同样可提高MRPC的计数率能力，同时还能降低探测器成本。本文分析MRPC计数率能力随电极厚度的变化关系并研究几种不同电极厚度MRPC的计数率能力，验证降低电极厚度提高探测器计数率能力的可行性。

1 探测器计数率能力

探测器的计数率能力主要受感应电荷在极板中放电恢复时间τ的影响，恢复时间越短计数率能力越高，反之越低。利用DC模型[5]和二维电阻网络模型[6]可分析影响MRPC计数率的因素。根据DC模型，有：

(1)

(2)

根据Inoue等[6]的二维电阻网络模型，MRPC探测器的在维持正常工作下的计数率能力有：

φ∝1/(1+ρv/σd)d2

(3)

式中，σ为电极的面电阻率，其他参数参考DC模型。当σ远大于ρν/d时，φ∝1/d2；当σ远小于ρν/d时，φ∝1/d。

基于这两种模型对探测器计数率能力与电极厚度关系的分析，认为降低电极厚度可提高探测器的计数率能力。

2 探测器结构

图1 MRPC探测器结构

为研究电极厚度不同的MRPC探测器计数率能力，设计一种条形读出MRPC，并采用4种不同厚度的普通硅酸盐玻璃组装4个结构一致的探测器。为增强实验的可比性，除玻璃电极厚度不同外，其他各项材料及相关参数均保持严格一致。其中，组装MRPC所用的玻璃电极体电阻率均为4.2×1012Ω·cm，面电阻率均为5.0×1013Ω/cm2，厚度分别为1.1、0.7、0.5和0.35 mm，Mylar膜厚度为0.18 mm。探测器结构如图1所示，探测器共有8条读出条，采用双端读出模式，条宽22 mm，长125 mm，条间间隙为3 mm；玻璃电极在中间阳极两侧呈三明治式对称排列，这种镜像对称结构的MRPC可看成是由两个独立的5气隙的MRPC堆叠而成，气隙宽度为0.25 mm，采用尼龙鱼线隔开，有效探测面积为200 mm×125 mm。实验时将正高压加在探测器的上、下电极上，负高压加在中间电极上，感应出的正、负信号分别由位于中间PCB和上、下PCB上的读出条收集。设定电极厚度分别为1.1、0.7、0.5及0.35 mm的MRPC分别为模块1、2、3及4。

3 实验及测试结果

3.1 X射线实验

为探究通过降低电极厚度来提高MRPC计数率能力的可行性，首先采用X射线对探测器进行测试，观察并记录几个电极厚度不同的MRPC探测器在不同本底条件下单位时间单位面积产生的信号个数(作为探测器的输出计数率)以及探测器回路电流(作为探测器的计数输出电流)。实验流程如下：1) 将实验室温度设置为22 ℃；2) 将探测器封装于密闭的铝制流气盒中，将常压下90%的氟利昂、5%的异丁烷和5%的六氟化硫的混合气体以25 mL/min的流速通入流气盒中，待流气均匀(累积体积通常为4倍流气盒体积)；3) 将MRPC的信号输出端连接至NINOs前置放大电子学，并将阈值设置为1.6 V，然后将经前置放大器甄别的RPC信号输入到电平转换盒，最后将转换的NIM信号输入到CAEN N1145 scaler中进行计数。

图2 X射线实验布置图

为获知各MRPC相对准确的输出计数率能力，需使探测器被辐照区域的X射线强度足够均匀，即保证MRPC被辐照的面积尽可能小，为此，设计如图2所示的实验方案，在体积为32 cm×40 cm×4 cm的流气测试盒前堆砌一堵面积为50 cm×60 cm、厚度为6 cm的铅屏蔽墙，并在墙中间开一面积为1 cm×1 cm的小方孔，孔中心正对被测条的中心，因此，在X光机工作时X射线仅能从小孔透过并触发该条上1 cm2的面积，而其他区域因有铅砖屏蔽而不被触发，同时将X光机放在距离测试盒2 m处的位置，以确保能获得强度相对均匀的X射线。

在探测器正负电极上加高压，使MRPC极板间电场强度达105 kV/cm左右。待探测器稳定后开始测试，实验采用自触发模式。首先，在无X光条件下，用定标器N1145分别记录这4个探测器的本底计数率作为探测器噪声(均低于2 Hz/cm2)；然后，开启X光机，用定标器记录探测器在单位时间内的计数作为探测器的输出计数率(噪声计数相对很小，可忽略；被触发面积为单位面积)，同时将高压源N471显示的电流记录为探测器在相应本底条件下的计数电流，图3为实验数据的获取系统。

图3 X射线实验数据获取系统

图4 各探测器计数电流随X光机管电压的变化

图5 各探测器输出计数率随X光机外加电压的变化关系

3.2 束流实验

图6 束流实验布置

为进一步证实降低电极厚度可提高MRPC探测器的计数率能力，并获知这几种不同电极厚度的MRPC的有效计数率能力，于2013年在俄罗斯的JINR联合核技术研究所进行束流测试。整个测试过程均采用能量为1.0 GeV/A、2～3 s/spill的氘离子束进行，其中，氘离子束由Nuclotron加速装置提供[7]，图6为束流实验的实验布置图。S1～S5为闪烁探测器，MRPC探测器安插在闪烁探测器中间，并采用激光辅助准直。受TDC道数以及前端电子学个数的限制，1次最多只能对其中3个MRPC进行同时测试。FFD1和FFD2为切连科夫探测器，用于为系统提供参考时间，S1～S5的符合信号用于提供系统触发以及TDC的开门信号。

首先，在低计数率(100 Hz/cm2左右)条件下对探测器进行高压扫描，以获知各探测器的最佳工作电压。各探测器探测效率及时间分辨随所加高压的变化关系如图7所示。在高工作电压区域，4个探测器的探测效率均达93%以上，当探测器外加高压大于6.1 kV时，模块4的探测效率高于90%；外加高压超过6.4 kV时，模块3的探测效率超过90%；外加高压超过6.5 kV时，模块2的探测效率超过90%；当外加电压高于6.7 kV时，模块1的探测效率也超过了90%。同时，发现在同等高压条件下，电极厚度越薄，MRPC探测效率越高，探测器的时间分辨均优于70 ps。

图7 探测效率和时间分辨随高压的变化

根据高压扫描测试的结果，将模块4的工作电压分别设置为各自的最佳工作电压，即6.8、6.8、6.7和6.6 kV，对探测器进行高压煅炼使其达到稳定后开始对探测器进行计数率扫描(0.5～3.2 kHz/cm2)。图8为探测器的探测效率以及时间分辨随计数率的变化关系，以探测效率高于90%、时间分辨优于70 ps作为判定探测器计数率能力的分界点，则模块1、2、3、4的计数率能力分别可达0.2、0.5、1.0、3.2 kHz/cm2。

图8 探测器探测效率及时间分辨随计数率的变化

4 结果分析与讨论

针对各探测器最大输出计数率、有效计数率能力与玻璃电极厚度的对应关系以及φ∝1/d或φ∝1/d2的推测，分别对MRPC的最大输出计数率和有效输出计数率与对应的玻璃电极厚度进行曲线拟合，得出MRPC探测器最大输出计数率和有效输出计数率均与玻璃电极厚度呈φ∝1/(a/d+b/d2)(a、b为常数)的关系(图9)。可看出，可通过降低电极厚度来提高MRPC探测器的计数率能力。但降低电极厚度的同时也会给玻璃电极的大面积生产带来困难，还会给MRPC探测器的组装带来一定的困难。因此，在后期寻找相对合适的电极厚度并辅以电极加热技术将是提高探测器计数率能力的一个重要课题。

图9 探测器计数率能力与电极厚度的关系

5 小结

本文结合DC模型和二维电阻网络模型分析了MRPC探测器计数率能力与电极厚度的关系，研究了4种不同厚度电极MRPC的计数率能力。实验表明，电极厚度越低，MRPC计数率能力越强。证实了降低电极厚度提高探测器计数率能力的可行性。

参考文献：

[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.