RPC气体探测器的研制北京大学教务部.docx

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RPC气体探测器的研制北京大学教务部

RPC气体探测器的研制

物理学院技术物理系2000级郑家荣

摘要

本论文详细研究了RPC气体探测器的制造过程，比较并测试了不同材料对RPC探测器性能的影响，用不同体电阻率的阻抗板制作了两个RPC气体探测器并进行了性能测试，其时间分辨率达到ns量级，对带电粒子的探测效率达97%。

RPC探测器探测高能带电粒子的时间空间属性。

即可以确定高能粒子穿过的时间和地点。

它作为一个重要的组成部分，是大型高能物理试验装置不可缺少的。

●RPC的特点

一．单个RPC的探测面积可以达到几个平方米的量级，这是其它探测器所无法比拟的。

这个特点使得RPC在高能物理实验中具有巨大的使用价值，因为在高能物理实验中需要的探测器总面积往往上千平方米。

二．RPC的造价低廉。

它所使用的阻抗板材料和其它材料都很容易购买到，并且价格较低。

三．RPC的制作过程与工艺简单，很容易掌握，比较容易进行批量生产。

四．RPC具有可与闪烁体探测器相媲美的时间分辨率。

RPC的时间分辨率与气体室的厚度有关。

厚度越大，时间分辨率越大；厚度越小，时间分辨率越小。

一般RPC的气体室厚度为mm，时间分辨率ns。

多层RPC（MRPC）气体室厚度只有零点几个毫米，如果面积也做得很小，时间分辨率就可以很小。

五．RPC有很高的探测效率，双层RPC的探测效率在95％以上。

六．RPC工作在雪崩模式下时具有很高的计数能力，能够在很强的辐照环境中使用。

雪崩模式下信号幅度较小，需要前端电子学放大。

而当它工作在流光模式下时，具有很大的信号幅度，可以不需要前端电子学放大，适合于宇宙线探测实验。

七．RPC信号的读出很灵活，根据需要可以将读出条设计成不同的几何形状，还可以沿不同的方向读出。

●RPC探测器的应用

LHC（大强子对撞机）建于CERN（欧洲核子中心），是目前高能物理领域最大的实验计划，将于2005年建成出束。

CMS是LHC上两个通用探测器之一，总投资3亿美元。

目前共有31个国家，150个研究机构，约1700名科学家参加CMS实验。

中国国家自然科学基金委、科技部和中国科学院共同资助使中国参加了CMS实验，这是我国首次以政府名义大力度资助中国科研机构参与重大国际合作项目。

北京大学1996年7月成为CMS合作组正式成员，北京大学技术物理系CMS科研组将负责我国政府资助的部分CMS子触发系统RPC（阻抗板气体探测器）的批量组装和调试。

CMS总体为圆柱形，长约22米，直径约15米。

μ子探测器居于较外部。

RPC安放于各个μ子探测器的表面。

图1.1和1.2分别显示了1/4的R–Z平面和平面上的RPC分布，桶部有6层（MB/*/1–MB/*/4，其中前两层为双层），端部有4层（ME1–ME4）。

图1.1R–Z平面上RPC的分布

图1.2平面上RPC的分布（桶部）

按照基金委与CMS的协定，北京大学负责CMS桶部RB1和端部RE1/2-3的组装测试：

桶部在Z方向分成5段，方向上分成12段（每段30度）。

这样由我们承担的桶部RPC的station120个，每个面积5.2m2，共624m2；气体室480个，总面积1248m2。

端部沿R方向分成3段：

RE1/1、RE1/2和RE1/3；方向上分成36段（RE1/1、RE1/3）或18段（RE1/2），如图1.3所示。

这样由我们承担的两侧端部RPC的station共150个，每个面积约2m2之间，共约300m2，气体室450个，总面积600m2。

图1.3端部RPC的设计（R–平面）

●气体探测器的概念

气体探测器的基本结构就是气体被密封在气体室中，气体室的两端加上高压，在探测器内的气体空间形成电场。

当带电粒子射入气体室的灵敏体积时，气体发生电离，由电离产生的正负离子在电场的作用下作漂移运动，产生了输出信号，以电流或电压的形式被记录下来。

气体探测器具有制备简单，性能可靠，成本低廉，使用方便等特点，在核辐射探测，重离子物理和高能物理实验中有广泛的应用。

入射带电粒子通过气体时，由于与气体分子发生电离碰撞而逐次损失能量。

碰撞结果使得气体分子电离或激发，并在粒子通过的径迹上生成大量的离子对。

实验观测表明，入射粒子每生成一个离子对的平均能量损失对许多气体和不同类型的辐射来说无显著变化，典型值是30－35eV每离子对。

气体探测器的工作区主要和所加的电压的高低有关系。

随着电压的增加，相继出现离子饱和区、正比区、有限正比区、G-M工作区。

0外加电压

离子饱和区正比区有限正比区G-M区

气体探测器的各工作区示意图

●RPC气体探测器的原理和结构

一个RPC探测器主要是由两块体电阻率很高的平行板组成，两块平行板密封成一个气体室，气体室的间隙宽度是几个毫米。

气体室中充入对紫外光子具有很强吸收作用的气体。

两块平行板的外层喷上导电的石墨，接上高压，用来作高压电极和地电极。

这样在气体室中就形成了一个较强的电场。

当带电粒子穿过气体室时，沿径迹方向气体分子被电离产生电子和正离子，在电场的作用下，电离出的电子产生雪崩。

由于平行板电极的体电阻率很高，雪崩区的局部电场很快降低，雪崩很快就终止。

在雪崩区外，探测器的探测能力未受人和影响。

另一方面，由于所充气体对紫外光子具有很强的吸收作用，由雪崩产生的光子很快就被吸收，不能在整个气体室内传播，由此避免了在气体室的其它区域由于光电效应而引起的二次雪崩。

这样，RPC就具有优良的空间分辨本领和可与闪烁体探测器相比的时间分辨本领。

随着所加的高压不同RPC有两种工作模式。

当电压比较高时，间隙里的电场足够强，在入射带电离子的径迹附近产生受到限制的放电。

这时的输出脉冲幅度较大，不需要经过放大就可以直接读出，这种工作模式叫做流光模式（Streamer

mode）.当电压较低时，间隙中的电场小了，气体的放大作用也小了，这时输出信号较小，需要经过放大器放大后读出。

这种工作模式叫雪崩模式（Avalanchemode）.

RPC流光模式与雪崩模式的比较

性能

流光模式

雪崩模式

输出信号幅度

几百毫伏（不需放大）

几十毫伏（需要放大）

探测效率

≥95%

≥95%

正常工作的计数

100Hz/cm2

1KHz/cm2

时间分辨本领

几ns

几ns

工作电压

较高

较低

早期的RPC都是工作在流光模式下的。

在这种工作状态下，间隙的电场足够强，气体在入射粒子的作用下发生电离，电离粒子在电场的作用下发生雪崩，雪崩产生的正电荷形成的空间电场使原电场收到严重的削弱，以至于电子不在能够获得足够的能量使气体电离，从而使雪崩终止。

然而这种工作状态下，由于脉冲电流较大，脉冲产生后探测器恢复正常工作状态较慢，所以能够获得的最大计数率是有限的。

工作在雪崩模式下的RPC的计数率有了显著的提高。

在这种模式下，气体间隙中的电场减弱了，相应的，气体的放大作用也减少了。

信号由电子学设备放大并读出。

电场减弱引起的气体放大倍数的显著减少使得RPC的计数率提高了一个数量级以上。

通过下面的简单模型我们可以了解到RPC中信号的产生过程：

如图为RPC的简单模型，我们假设有一个电荷量为Q的点电荷沿着z方向以恒定的速度v运动。

在此假设下我们计算读出条上的感应电流。

RPC气体室中信号产生示意图

这个模型假设RPC由两层电介质组成的无穷大平板组成。

读出条下面的第一层电介质就是阻抗板，现在一般使用的阻抗板材料（例如聚胺材料和玻璃）的相对介电常数在2到4之间。

下面的一层电介质代表气体室，其介电性质和真空相同。

可以看到这里的模型正好是RPC气体室的一半，但是我们可以通过这个模型计算出RPC输出的电流信号。

电荷量不变的点电荷沿垂直于阻抗板的方向以恒定的速度向电极运动产生了电子雪崩。

由于阻抗板的体电阻率非常高，所以它对信号的影响很小，因此可以用准静态近似来计算电极板上感应电荷的分布。

设一电荷静止在z0点，由此可以计算出读出条上的感应电荷密度分布，对这个电荷密度积分就可得到读出条上的感应电荷量qs，qs是z0的函数，而z0=vt。

电流是电荷量的微分，

。

如上图，由位于气体室内（0,0,z0）点的静止点电荷Q在阻抗板内产生的电势是如下的傅立叶积分：

其中

。

读出条上的总感应电荷就是读出条上的电荷密度的积分：

积分就可以计算出电荷的大小，由上所述，

。

因此得到：

其中，

可以看出，当＝1时，f=1。

这时的电流可以很容易从上面的积分算出：

当1时，积分要通过级数展开求解。

下图是计算得出的I-x0关系图：

I-x0关系图

图中的点划线是＝1时的结果，非点划线是＝2时的结果。

从图中可以看出，电介质的介电常数对电流信号的影响很小，最大时它们才相差10％。

但是这里是假设了点电荷以恒定的速度运动，所以阻抗板的影响会很小。

阻抗板的存在会改变气体室中的电场强度，影响电荷的漂移速度以及电子雪崩，从而影响输出信号。

在这个简单模型下我们不作讨论。

这个模型比较简单，因此它有很大的缺陷。

比如它假设读出条是一个连续的平面，只是在计算读出条上的感应电荷时用积分的上下限限定读出条的位置，而实际情况是读出条是相互隔断的窄条。

这样使得这个模型计算出的输出电流信号偏大。

但是我们通过这个模型可以了解RPC中信号的产生过程。

●RPC气体室的结构

RPC的结构图

1．支撑板和C型框架

支撑板是两块和气体室等大小的梯形板。

他们相当于RPC的外壳，起到了支撑与保护RPC内部结构的作用。

我们的制成板使用泡沫板、防火板粘贴制成。

支撑板的中心为泡沫板。

泡沫板两面用PVC胶（即白乳胶）粘上防火板。

这里我们选用PVC胶是因为它不腐蚀泡沫而又粘得很牢固。

C型框架为钢制长条，它硬度高、定型好，用于连接和固定RPC的不同结构，使其成为一个整体。

2．绝缘膜（PET膜）

RPC在多处用到了绝缘膜，绝缘膜是PET材料，绝缘性非常好，其形状和大小同气体室相同，主要起不同成分之间的绝缘作用。

3.气体室

气体室两边加上高压也就是电离室，它是RPC最核心也是最主要的部分。

气体室是密封气体也是使气体发生电离的地方。

它的制作水平直接关系到RPC若干技术指标，如：

漏电流大小、噪音本底、可加最高高压等。

气体室由电阻板、垫片、塑料柳钉组成。

4.阻抗板

RPC的气体室是由阻抗板围成的。

一个气体室分三个部分：

上板、下板、边框。

对阻抗板的要求首先是要求它的体电阻率在1010Ω/cm到1012Ω/cm.制作阻抗板的厂商会提供一个体电阻率的参考数据。

拿到阻抗板后我们会再次测量体电阻率。

有的阻抗板板两面的温度膨胀系数不一样。

一旦外界温度发生变化，阻抗板会发生形变。

理想的情况是找到一种两面温度膨胀系数一样的阻抗板。

如果找不到，那么制成的RPC应该放在恒温的环境中使用。

5.读出条

读出条是由许多平行的细长金属条所组成的，它们以均匀的间隙贴在绝缘的PET膜上。

相邻读出条之间间隔为2mm。

●RPC气体室的制作

1.阻抗板以及气体间隙层的制作

由于阻抗板的面积比较大，为了保证两块阻抗板之间的气体间隙层厚度为2mm，必须在间隙中放置一些垫片环（Spacer）来支撑一下。

这里还有一个值得注意的问题。

因为我们制作的是双间隙RPC，上下有两个气体间隙层。

间隙中垫片所在的部分会造成所谓的信号“死区”，如果上下两个间隙层中的垫片在垂直方向重叠，在公共读出条上就没有信号产生。

为此我们设计了

的点阵排布，同时把上下阵列在垂直方向错开。

在板上共需要放置99个垫片环。

每个垫片环的外径为10mm，内径为5mm。

如何把垫片环牢固的固定在阻抗板上，是RPC制作过程中最困难的步骤。

可以用的办法有注塑和强力胶水。

一般采用的办法是用胶水。

主要选用的胶水有：

国产的502和504胶水、进口的Aralodite、AltecoF05。

502胶水属于快干型，几十秒就可以达到很好的粘合效果。

504胶水是慢干型，常温下2－3小时凝胶，24小时后可以保证完全干透。

Aralodite胶90分钟凝胶，5小时后完全干透。

AltecoF05胶5分钟凝胶，1.5小时干透。

各种胶水的其它性能也需要综合考虑，比如牢固性、绝缘性、在长时间强辐射下的稳定性等。

在价格上，进口胶水远远比国产的要贵，如果要大规模的生产RPC，这个因素需要考虑。

经过测试，这几种胶水干透后达到的粘合效果是令人满意的。

但是由于他们的特性不一样，在粘合RPC时分别用于不同的地方。

对气体室进行密封。

这时我们选用504胶水,用针筒把胶水注入两板间的间隙。

以保证气体室的密封性。

2.喷石墨

在气体室两侧我们喷了一层石墨作为气体室的两个电极。

通过石墨层，我们得以给气体室加上高压，加上高压后气体室就成了电离室，只要有粒子射入，气体室中的气体分子就会被电离，并在高压作用下发生雪崩。

石墨层的具体喷涂方法便是在通风（因为有机溶剂挥发时气味比较大）的地方，利用空气压缩机接喷枪人工喷涂到电阻板上。

喷涂时为了使石墨尽量均匀，我们将喷枪的喷嘴调得较大，使其喷出的石墨较宽，并且尽量做到匀速移动喷枪。

但是毕竟是手工操作，喷完后用万用表测量，发现有些位置喷得太薄电阻过大，这些位置我们进行了补喷。

3.RPC的组装

在进行整体的组装以前，需要在每一石墨电极上贴一小块铜导电带，铜导电带上焊接高压引出线（用15kV高绝缘线）或者地线（各两根）。

在读出条层的一端，每一条上都贴上小块的铜导电带，并在另一端引出信号线。

按照前面所示的RPC整体组装示意图，我们一层一层地将RPC组装起来，加上边框，并拧好螺丝。

最后将高压线和端部高压头相连，把气嘴和进气、出气口接头通过气管连接，整个RPC的组装工作就完成了。

2003年7月，我们分别用两种不同电阻率的材料完成了两个RPC探测器的制作。

之后对RPC探测器进行了基本的测试。

对RPC探测器通入混合气体（气体的组份变为：

90%，

10%）。

加上高压，用示波器观察输出信号。

图1.4是高压加到2300V时从读出条上直接引出的未经放大的信号。

其信号幅度不超过8mV，时间半高宽为几十ns.这是一个典型的雪崩信号。

图1.4高压为2300V时未经放大的信号

图1.5是高压加到8000V时从读出条上直接引出的未经放大的信号。

其信号幅度已达40mV，时间半高宽为几十ns.这是一个典型的流光信号。

图1.5高压为8000V时未经放大的信号

测试过程中我们还记录下了雪崩信号和流光信号同时出现的情况，如图1.6所示。

图1.6是高压加到9600V时从读出条上直接引出的未经放大的信号。

首先出现一个信号幅度不超过10mV的小雪崩信号，一段时间后出现一个信号幅度约为50mV的大流光信号，该信号有一定程度的反冲和振荡。

这是两个μ子同时穿过RPC探测器时记录下来的结果。

图1.6高压为9600V时未经放大的信号

由示波器的信号可以看出：

当气体室的高压加到2300V时，已经可以看到了相当成形的雪崩信号，只是信号的幅度较小；当高压加到8000V和9600V时，我们可以观察到明显的流光信号。

宇宙线测试结果表明RPC探测器工作正常，由于我们用来作触发器的闪烁体探测器的面积较大，相应的时间展宽也较大。

考虑到闪烁体探测器的影响修正，RPC探测器的时间分辨率可以达到ns量级。

我们用计数器同时记录了触发闪烁体探测器的μ子数和RPC探测器所探测到的μ子数，计算结果显示，在高压为9600V时，探测效率为97%.我们所制作的RPC探测器的时间性能和探测效率基本上达到了预期的目标。

进一步的束流效率测试将由班勇老师在CERN完成。

●结论

RPC是新近发展起来的一种平行板气体探测器。

它具有优良的探测效率和时间性能；能够制作成很大的探测面积。

在高能物理和其它一些领域里都获得了广泛的应用。

我们自行设计，完全用国产材料制作了两个不同体电阻率的RPC探测器，宇宙线测试结果表明其时间分辨率达到ns量级，在工作高压下探测效率达97%以上，符合作为高能μ子触发器的要求。

我们比较并测试了不同材料对RPC探测器性能的影响，掌握了RPC探测器制作的细致工艺，为以后的批量生产打下了基础。

致谢

感谢班勇教授对我的悉心的指导和帮助。

班勇教授的严谨、细致、从容的作风，他对科学研究工作的热情给我留下了深刻的印象。

我从班老师身上学习到了，不仅仅是本文所论述的内容。

同时我要感谢叶沿林教授和刘洪涛教授对我的指导和帮助。

感谢应军老师给我的帮助。

感谢亚原子探测试验室的两位博士生：

胡青元、庞丹阳。

作为学长和朋友，他们给了我很大的支持。

参考文献：

[1]K．贝格特编，江栋兴译《重离子物理实验方法》，原子能出版社，1982

[2]安继刚编，《电离辐射探测器》，原子能出版社

[3]段绍节编，《实验核物理测量中的粒子分辨》，国防工业出版社

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[5]Yamaga,M.;Abashian,A.;Abe,K.;Abe,K.;Behera,P.K.;Chidzik,S.;Gotow,K.;Hanagaki,K.;Hoshi,Y.;et.al.,Nucl.Instr.AndMeth.A456（2000）109-112

[6]Abashian,A.;Abe,K.;Abe,K.;Azuchi,S.;Behera,P.K.;Chidzik,S.;Chinomi,S.;Gotow,K.;Haitani,F.;et.al.,Nucl.Instr.AndMeth.A449（2000）112-124

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[8]Zeballos,E.C.;Crotty,I.;Hatzifotiadou,D.;Valverde,J.L.;Neupane,S.;Williams,M.C.S.;et.al.,Nucl.Instr.AndMeth.A374（1996）132-135

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[10]J.Ying,Y.Ye,etc.J.Phys.G:

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[11]J.Ying,Y.Ye,etc.Nucl.Instr.AndMeth.A459（2001）513-522

[12]复旦、清华、北大合编，原子核物理实验方法，第二版修订本，原子能出版社，1985

作者简介：

郑家荣，男，1982年1月5日出生于广东饶平，2000年在广东华南师大附中由于获全国中学生物理竞赛三等奖保送进入北京大学物理学院技术物理系。

感悟和寄语：

自从进入实验室接触研究工作后，我感觉从事科研工作是艰辛的，有时候甚至是枯燥的。

我所接触的老师、硕士研究生和博士研究生都是怀着一种热爱和奉献来对待科研工作的。

一位博士生对我说，感觉其他的职业不适合他，还是搞科研的生活单纯点，没有那么多杂事。

在从事别的职业的人看来，科研工作者的想法和感情可能难以理解。

但是正是他们的工作让人类的知识不断的累积，推动文明不断的进步。

指导教师简介：

班勇，技术物理系副教授，博士。

主要从事粒子物理实验工作。