小单元多丝漂移室探测器系统研制

黄鑫杰,尹小豪,何周波,马 朋,*,胡荣江,*,邹海川,邱天力,何志轩,秦 智,秦雨浩,魏向伦,杨贺润,鲁辰桂,李 蒙,杨远胜,李志杰,段利敏

(1.中国科学院 近代物理研究所,甘肃 兰州 730000;2.中国科学院大学 核科学与技术学院,北京 100049;3.兰州大学 核科学与技术学院,甘肃 兰州 730000;4.清华大学 物理系,北京 100084)

兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)引出的粒子与初级靶发生反应后形成次级粒子,次级粒子通过放射性束流线(RIBLLⅡ)输送到外靶终端,与次级靶发生反应形成包含有不同动量的多种出射产物粒子。由于打靶粒子来源于次级束流,束流粒子的入射动量与位置具有较大的分散,需要有靶前探测器精确测量入射粒子的径迹和动量,这对于后续核反应产物粒子动量的精确测量具有重要的影响,同时结合运动学重构可以辅助分离可能重叠在一起的相邻径迹,排除偶然符合事件,降低本底水平[1-4]。有多种位置灵敏探测器可以实现入射粒子径迹测量,包括多丝漂移室、塑闪光纤阵列、Si微条、Si像素等探测器[5-7]。多丝漂移室具有高位置分辨、高计数率、高探测效率、低物质量、抗辐射、价格便宜与利于大面积制作等优点,是核物理实验中常用的径迹测量探测器[8]。为了精确测量入射粒子的径迹和动量,寻找入射粒子的真实径迹,本文针对靶前入射粒子径迹的高精度测量要求,研制小单元多丝漂移室气体探测器,采用两套小单元多丝漂移室对400 MeV/u的16O束流位置进行测试,以拟合得到单层电极的位置分辨(拟合残差)。

1 探测器系统结构及测试

1.1 探测器系统结构

探测器系统由两套小单元多丝漂移室组成,每套多丝漂移室包括x、x′与y、y′ 2组共4个探测电极面,同组电极面的丝相互平行,2组丝相互垂直,x、x′相对错位半个漂移单元(y、y′相同),用来提供左右分辨。阳极丝面由间隔分布的阳极丝与场丝组成,阳极丝为直径20 μm镀金钨丝,场丝为直径75 μm的Be-Cu丝,阳极丝间距为5 mm,阳极丝与场丝间距为2.5 mm,每层有16根阳极丝,灵敏面积为80 mm×80 mm。阴极丝为直径75 μm的Be-Cu丝,丝间距为2.5 mm。阳极丝面与阴极丝面间距为2.5 mm。图1为小单元多丝漂移室实物图与x、x′组丝电极结构示意图,y、y′组的结构与此完全相同,每组包括2个阳极面与3个阴极面。该探测器系统选择5 mm小漂移单元,小漂移单元具有约50 ns的较短漂移时间,可以工作在约106Hz高计数率环境下,适宜面积小、计数率高场合下的粒子径迹探测。

图1 小单元多丝漂移室实物图与x、x′丝结构示意图Fig.1 Small cell multi-wire drift chamber picture and schematic diagram of x, x′ wire structure

1.2 测试条件

在物理上关注入射到次级靶的粒子为重粒子,所以采用400 MeV/u的16O束流研究气体探测器的性能和参数,图2为束流测试现场。探测器的工作气体为Ar(80%)+CO2(20%),阳极丝加+900 V电压,场丝与阴极丝均接地。阳极丝信号通过隔直电容与SFE16前端电子学连接。SFE16为法国Saclay研制的16路ASIC信号处理器,其功能包括电荷灵敏放大、成形与信号甄别,输出TOT(过阈甄别)信号[9]。TOT信号输入到基于CERN开发的HPTDC芯片[10]的数据采集卡中,记录TOT信号的上升沿与下降沿时间。放置于漂移室前面的T0塑闪探测器,提供入射粒子的起始时刻,由TOT信号前沿与T0相减,可以得到入射粒子径迹在多丝漂移室中的漂移时间。本实验中,为得到好的定时精度,SFE16的信号达峰时间设定为最快档,即42.5 ns,HPTDC分辨设定为100 ps;另外由于安装空间位置限制,仅有x、x′的信号引出记录,y、y′的信号没有接入到数据获取系统中,后续分析仅针对两套探测器的x、x′信号。

图2 束流测试现场Fig.2 Beam flow test site picture

2 数据处理及结果分析

2.1 获取重建径迹所需数据

数据处理基于Root分析软件进行。塑闪起始探测器开门后,统计每层16个阳极信号的点火多重性分布,图3为其中一层丝的点火多重性分布。图4为每个事件击中层数分布。塑闪面积小于多丝漂移室灵敏面积,有开门信号代表有1个粒子穿过漂移室的灵敏区,开门信号数可以作为计算探测效率的归一化常数,开门信号数中有部分计数为本底计数,在计算真实探测效率时应扣除,本底计数为每个事件击中层数为0时的计数。因此可以用多重性分布得到每层丝的探测效率。图5为由以上方法计算得到的4个阳极面的探测效率。扣除本底前的平均探测效率约为95%,扣除本底后的平均探测效率约为99.3%。漂移室的探测效率和点火丝平均多重性与探测器工作电压以及前端电子学的甄别阈值有关,增大工作电压会提升探测效率,但也会提高点火丝的平均多重性,对粒子探测带来不利影响。

图3 单层丝点火多重性分布Fig.3 Distribution of single-layer wire ignition multiplicity

图4 每个事件击中层数分布Fig.4 Distribution of number of layers hit per event

图5 探测器各层阳极丝面的探测效率Fig.5 Detection efficiency of each layer of detector anode wire surface

当1层丝的点火数大于1时,选取该层可能击中丝最大范围内漂移时间较小的点火丝作为击中丝。阳极丝TOT信号前沿与触发塑闪T0相减,得到的径迹漂移谱是相对时间谱,需要确定一个时间零点(T0)对应于粒子径迹与阳极丝相交位置,本文选择漂移谱上升斜率最大处[11]作为时间零点。图6为单层丝对应的漂移时间谱。该漂移室中,电子漂移速度约为5 cm/μs,漂移时间主要集中在50 ns范围内,其对应的漂移距离为半个漂移单元,即2.5 mm,漂移谱后沿时间较长的事例来自于漂移单元的交界处,场丝附近电场不均匀,存在弱场区,导致漂移时间变长。

图6 单层阳极面测量得到的漂移时间谱Fig.6 Drift time spectrum by single anode layer

根据漂移距离R与漂移时间T的对应关系(R-T曲线),获取漂移距离。漂移室的工作气体成分、温度、压力以及工作电压都会影响电子漂移速度,进而影响漂移距离与漂移时间的关系,因此R-T曲线的精确度对最终的位置分辨有很大影响。本次数据处理中的初始R-T曲线是基于模拟得到的R-T数据,其中R的范围为0～2.5 mm,T的范围为0～140 ns。初始R-T曲线需要进行优化调整,优化调整的依据是粒子径迹拟合后,残差分布达到最小值。优化方法是采用直线插值法、光滑插值微调模拟R-T曲线[12]:第1步,插值数组T不变,对R对应的数组的每个值以0.1 mm的步长变化,找出径迹拟合最小残差,选定R优化数组;第2步,插值数组R不变,对T对应数组的每个值以1 ns的步长变化,选定T优化数组。以上2个步骤交替迭代多次,待径迹拟合残差趋于稳定后,即完成了R-T曲线的优化调整。在优化迭代过程中,后期的优化范围与步长可以逐渐缩小,这有利于R-T曲线的快速高精度优化。得到的最终R-T曲线如图7所示,该R-T曲线为小单元多丝漂移室优化后的R-T曲线。由插值数组直接获得的R-T曲线会存在一些波动,对其进行8次多项式拟合,基本可以消除波动。

图7 小单元多丝漂移室优化后的R-T曲线Fig.7 R-T curve after optimization of small cell multi-wire drift chamber

2.2 径迹重建

本实验中入射粒子均为小角度入射,因此近似认为粒子在每层的击中点坐标为(zi,xi+ri)或(zi,xi-ri),用遍历法获取候选径迹共24种,其中(zi,xi)为阳极丝的二维坐标,ri为粒子径迹到阳极丝的漂移距离。

采用最小二乘法重建候选径迹,径迹重建示意图如图8所示。

图8 径迹重建示意图Fig.8 Schematic diagram of trail reconstruction

设直线方程为:

x=az+b

(1)

根据直线方程构建关系式(2),式(2)定义为观测值xi的偏差的加权平方和,其中N=4(代表4个击中点)。

(2)

(3)

(4)

图9 迭代更新r获取新的击中位置Fig.9 Iterative update r to get new hit position

2.3 机械修正及位置分辨

漂移室在制作与安装过程中会带入几何位置偏差,因此需要对每层探测器的位置进行微调修正,进而获取真实位置,提升探测器位置分辨。图10为对其中一层丝面作x方向平移修正时,径迹拟合的残差分布与修正量dx的关系。4个丝面的最大平移修正量均小于0.1 mm。

图10 进行x方向平移修正时位置分辨与修正量的关系Fig.10 Relationship between position resolution and correction amount when performing x-direction translation correction

由于粒子入射角度较小,在进行z方向平移修正时,径迹拟合的残差分布与修正量dz基本无关。

在机械修正后,最终完成径迹拟合,得到的4个面的径迹残差分布可以表征探测器的位置分辨。图11为总的径迹残差分布,高斯拟合得到的位置分辨σ=106 μm。

图11 拟合4个丝面的径迹残差分布得到的位置分辨Fig.11 Position resolution obtained by fitting residual distribution of path traces of four wire surfaces

3 结论

本文研制了一种用于靶前入射粒子定位的小单元多丝漂移室探测器,探测器灵敏面积为80 mm×80 mm,每套探测器包括x、x′、y、y′共4个探测电极面,每个电极面引出16个阳极丝信号,该探测器具有高位置分辨、高探测效率等优点。由2套小单元多丝漂移室组成的径迹探测系统对400 MeV/u的16O靶前束流位置进行了测试,探测器选用的工作气体为Ar(80%)+CO2(20%),阳极丝电压为+900 V,场丝与阴极丝接地。在该测试中拟合得到的x方向单层电极的位置分辨为106 μm,探测效率为99.3%,该指标可以满足现阶段CSR外靶终端对靶前粒子径迹定位要求。