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论文
本科毕业设计论文
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毕业时间
[摘要]气体探测器是在粒子物理、生物医学等基础科学和工农业生产及其他社
会领域应用最广的核辐射探测器之一。
近年来,出现了两类新型气体探测器MPGD
与RPC或MRPC,代表了当今气体探测器的主要发展方向,也使开展这两类探测
器的研制与性能研究具有重要科学意义和使用价值。
本文由两部分组成,第一部分系统研究了强电场条件下,电子和正离子在混
合气体中的漂移、扩散和电子雪崩规律;分析了MpGD的工作原理;研究了MGWC
的制作方法和工艺;探索了用计算机辅助设计方法与相关专业软件相结合来设计
MGWC并研究其性能的方法和步骤;自主设计,研制出了一种MGWC;对所研
制MGWC的主要物理参数进行了模拟计算,得出了计算公式;对所研制MGWC
的部分性能进行了测试,得出了结论;提出了MGWC性能优化的方法和原则。
论
文第二部分从气体导电理论和统计物理学角度出发,结合实验结果研究了MRPC
的微观物理机制,得出了结论;研制出了一种MRPC;建立了基于宇宙线望远镜
系统的MRPC性能测试实验平台;对所研制MR卫C的性能进行了测试,结果表明
对于己研制出的MRPC,其各项性能指标达到了国际先进水平。
关键词:
微间隙多丝正比室,多气隙阻性板室,计数率,位置分辨率,
时间分辨率。
Abstract
Gasdeteetorhasbeenoneofthemostwidelyusedradiationdeteetorsinbasieseieneesandmanysoeiald已veloPmentfields.Overthepastseveralyeartherehavebeentwonewkindsofgasdeteetors:
MPGDandRPCorMRPCwhiehrePresentthedeveloPmenttrendofgasdeteetor.Thereforeit15verymeaningfultodeveloPMPGD&MRPCandstudyontheirPerformaneesbeeausethesetwokindsofgasdeteetorshavegreatPotential.
ThisPaperineludestwoseetions.ThefirstseetionhasstudiedonthelawsaboutdriftdiffusionofeleetronsandPositiveionsandeleetronieavalaneheunderhighelectricfieldinmixedgas.MeanwhilethemeehanismofMPGDandtheProeessofdeveloPingMGWChavebeenanalyZed.AndatthesametimesomefunetionsforealeulatingthePhysiealParametersofMGWChasbeenaequired.BasedonthesituationofPrintcircuitteehnologyiChinaaProtoeofMGWChasbeeneonstrUeteandsomeofitsPerformanceshavealsobeentested.FinallyPrineiPlesandmethodsforimProvingthePerformaneesofMGWChavebeenPresented.AeeordingtothetheoryofGasConduetionandStatistiealPhysies,theseeondseetionofthisPaperhasresearehed
intothemicromeehanismofMRPCandreaehedeonelusion.AsystemfortestingthePerformancesofMRPCbyeosmierayshasbeenestablisheandtheMRPCseonstruetedbyushavebeenmeasuredtoo.TheresultsofmeasuredPerformaneesofMCshaveProvedthattheMRPCdeveloPedbyushashadadvaneedlevelinthe
worid.
Keywords:
Miero一GapWirChamber,Multi一GapResistivePlateChamber,
Count一Rate,SPatialResolution,TimeResolution.
第一章MGWC测试及结果分析
MGwc是探测单元较小(200脚左右)的位置灵敏气体探测器。
要使所研制的MGWC具有良好的位置分辨能力,就要求其各个探测单元应具有高度一致性,因而对构成MGWC的各个部件的几何公差有较高要求,同时对组成探测单元的阳极丝间距、阴极条间距一致性及不同电极之间距离的公差更有严格要求,因此在组装MGwC之前,要对所加工MGWC的所有部件的几何尺寸进行严格测量。
对于构成MGWC框架的侧框和顶框各边,因其不会直接影响MGWC内部电极结构,所以对其公差要求较低,只需满足机械装配技术要求即可,拟定为士0mm。
对于侧框和顶框厚度,因其公差会影响MGWC内部漂移电场分布的均匀性和一致性,进而影响各个探测单元中电子、离子漂移及电子雪崩的一致性,因此对其厚度公差要求较高,如果取侧框和顶框的厚度公差在士o.lmm内,已知漂移电极至阳极丝上表面的距离为2.96~,可算出,此厚度公差会使漂移电极至阳极丝表面间距造成3%的相对误差。
经探测单元静电场分布计算,可确定在此公差范围内,MGWC内部漂移电场和电子雪崩区的不一致性在3.4%以内,可认为此时MGWC中漂移电场的分布是均匀的,如不考虑其它因素,可认为各个探测单元的电场分布是一致的。
1.1各部件几何尺寸、‘单(条)距及电极间距测量
在MGWC的各部件加工完成之后,我们使用游标卡尺对其侧框和顶框的几何尺寸进行了测量,所测结果见表3.1,可见,所加工侧框和顶框各边长的公差都满足装配MGWC的机械要求。
侧框和顶框的厚度公差在士0.1~内,因此可忽略厚度公差所造成MGwc内部漂移电场分布的不均匀和不一致性。
用千分尺和10倍放大镜对所用镀金钨丝和渔线的直径进行了采样测量,测量结果表明,只要是同一卷镀金钨丝或渔线,它们的直径始终是一致的,即镀金钨丝的直径为20pm、渔线的直径为200pm,因此只要使用同一卷阳极丝来拉制阳极丝面或用同一卷渔线作支撑丝,即可保证镀金钨丝和渔线的一致性。
在拉制阳极丝平面之前,我们设计,并请人制作了一个拉丝框架,可以用来拉制出一个丝间距为1~、面积为18cmx12cm的阳极丝面。
图3.1为拉丝框架结构平面示意图。
我们用游标卡尺和10倍放大镜测量了拉丝框架上每相邻两个“v”形槽底部顶点(如图3.1示)之间的距离,发现大部相邻两个“V”形槽底部顶点间距的公差在土50“m以内,但也有少量相邻顶点间距的公差大于士50“m,但没有超过士0.1~。
1.2阳极丝张力测量
制作MGWC的关键环节是用均匀地张力拉出等间距的阳极丝面,而丝张力测量是保证丝所加张力满足技术要求的重要手段,所以在拉制阳极丝面之后,要求对每根丝上所加的张力进行测量。
1.2.1阳极丝张力测量方法和装置
目前测量阳极丝张力的方法主要有四种:
静电共振法[41权磁共振法[42]、共振衰减复氏变换法和电磁共振法(因使用较少,在此不作说明)等。
静电共振法测张力的工作原理是,将信号发生器产生的高压交流电加在待测丝周围邻近的几根丝上,根据电磁感应原理,邻近的这几根丝就会产生按一定频率变化的电磁场,使待测丝发生振动,把待测丝振动又产生的感应信号与信号发生器的信号同时输入示波器,当通过调整信号发生器的信号频率使其与待测丝的固有频率相同时,示波器上就会出现李萨如波形变化,由此即可测得待测丝的固有频率,再根据波动学方程推导出的张力计算公式143],将所测频率值田。
就可得到待测丝的张力。
(3.1)式中,T为阳极丝所受张力、单位,d”(换算为克时,需乘换算系数1.02xlo一,),p为丝的线密度、单位,留cm,田。
为丝的固有频
率、单位,Hz。
静电共振法测张力的装置如图3.2示。
静电共振法与其他丝张力测量方法的相同点是,都需要给丝外加一定频率的交变电流来使丝振动,然后利用共振现象来找出丝固有频率,由此算出丝的张力。
静电共振法的优点是不需要磁铁,这对于制作大型丝室是十分有利的,但也存在缺点,即在观察示波器李萨如波形变化时,易受观测者主观影响,不同观测者的测量结果不一致,很难确定出丝的固有频率,进而影响所计算出丝张力的准确性。
另外待测丝比较长时,其固有频率往往也比较低,因此测量张力时,还需要变压器将信号发生器的低电压信号升高后刁‘可以使待测丝产生振动,增加了丝张力测量的难度。
1.2.2丝张力测量结果及分析
MGwc的阳极丝面是由100根直径为20脚的镀金钨丝构成的,如果采用环氧树脂胶将每根丝粘在丝框架上,就需要大约800至120Oh(一般环氧树脂胶的固化时间为8至12h),较费时间。
为了克服费时问题,最初粘阳极丝时,采用了502瞬干胶。
拉丝时,丝下端所挂祛码的质量为409。
以下是通过波形观察法和共振衰减复氏变换法对用502瞬千胶所粘阳极丝张力的抽样测量结果,表3.2为波形观察法张力测量结果。
1.3MGWC性能测试
MGWC的主要性能有,计数率坪曲线、气体放大倍数、位置分辨率、分辨时间等。
由于MGWC是新型正比气体气体探测器,因此其结构上的特殊性也使其基本性能的物理含义与常规正比气体探测器有所差别,因此有必要简要说明MGWC主要性能的物理含义。
MGwc计数率坪曲线的物理含义与一般正比气体探测器计数率坪曲线的物理含义基本相同,只是由于在MGWC中有大量的阳极丝,因此在测量MGWC计数率坪曲线时,MGWC阳极高压的改变指的是MGWC中所有阳极丝的高压都作相同改变。
一般地,当高压在一定范围内变化时,MGWC的计数率会基本保持不变,此高压变化范围就是MGWC的坪区。
MGWC的气体放大倍数指的是MGWC中每个探测单元的电子倍增能力,如第一章所述,MGWC的气体放大倍数应等于电子雪崩后的电子一离子对与入射粒子初始电子一离子对之比。
对于已知能量的入射粒子,通过蒙一卡方法,可以算出其在MGWC工作气体中产生的初始电子一离子对,所以只要测量出MGWC输出电荷量的大小,就可推出MGWC的气体放大倍数。
MGWC的位置分辨率是指MGWC对入射粒子的定位精确度,或者说是能够把两个入射粒子区分开的最小空间距离。
定义方法不同,衡量MGWC位置分辨能力的物理量也不同,常用的定义方法是实际测量一束垂直于定位丝平面,且宽度很小的入射粒子在某一固定丝周围的位置一计数率分布曲线,然后把该分布曲线上最大计数率一半处的全宽度(FWHM)定义为MGWC的位置分辨率,如果测得MGWC的位置一计数率分布曲线服从高斯分布,则MGWC的位置分辨率FWHM=2.3550(。
为高斯分布的标准偏差)。
一般正比气体探测器的分辨时间指的是能够把相邻两个入射粒子区分开的最小时间间隔,但由于MGWC是由许许多多探测单元组成的,每个探测单元都有各自的输出,因此即使有两个入射粒子几乎同时到达MGWC,只要它们电子雪崩的位置不在同一探测单元中,MGWC就能将它们区分开,可见,MGwC的分辨时间与一般正比气体探测器的分辨时间含义不同,前者指的应是MGWC能够把相邻两个入射到同一探测单元的粒子区分开的最小时间间隔。
MGWC的分辨时间直接关系到它所容许的最高计数率(即计数率上限)。
1.3.1测试MGWC性能的实验装置
探测器不同,其性能测试的实验装置也不同。
在测试MGWC性能前,需选取和建立适合MGWC性能测试的实验装置。
图3.10示MGWC性能测试的实验装置示意图,测试MGWC性能的实验装置主要包括:
供气系统、电子学系统、测量仪器和放射源等。
MGWC所使用的供气系统是一套适合于气体探测器性能测试的通用配气仪。
此配气仪可以控制三种单一组分的气体流量,并能按实验要求的体积比例将几种气体均匀混合成气体探测器的工作气体。
如图3.10示,配气仪通过密封导气管与MGWC的进气孔相连(连接处用硅胶密封),可以把工作气体送入MGWC中,而MGWC上的排气孔与密封导气管相连(连接处也用硅胶密封),并插入不挥发的液体(一般都采用硅油)瓶中,就能实现将废气排出MGWC,同时也能与外界空气隔绝开。
因该配气系统最初用于MRPC,气体传感器的转换系数是按照CZHZF4、i一C4H。
和SF6三种气体作的标定,因此用该配气系统为MGWC提供工作气体时,需要将气体传感器的转换系数换算成MGWC所用的气体。
测试MGWC性能所用的工作气体为几种不同比例的Ar与i一C4HIO混合气体,只需计算CZHZF;或SF6与Ai之间的气体传感器转换系数即可。
根据气体传感器转换系数换算公式[44〕
1.3.2MGWC部分性能测试结果及分析
在MGWC性能测试阶段,由于周围其他实验室正在做低温等离子体和强电磁场方面的实验,尽管对MGWC性能测试的电子学系统进行了屏蔽,同时将MGWC的高压增至IO00V以上,但通过地线进入前置放大器的噪声仍较大,一般阳极所接前置放大器输出端的噪声幅度都在somV以上,有时甚至达到140mV,且频率也很高,在13MHz以上,因此能量在lookeV以下的射线在MGWC中所产生的信号全被淹没在噪声信号中。
为了能够测到MGWC的信号,将所用放射源改为,37cs少,cs发生丫衰变会产生能量为“Zkev的丫射线)。
以下MGwc部分性能的钡l试结果。
MGWC的暗电流、噪声曲线及坪曲线是在充工作气体8h后进行测量的。
MGWC的暗电流是指MGWC的每根阳极丝都加上高压时,所有阳极丝和所有阴极条之间的电流强度,造成暗电流的主要原因是电极之间存在漏电流,此外,当高压增加到一定程度时,伴随气体放电加剧,会出现“打火”现象,也会造成暗电流。
一般要求MWPC或MPGD在正常工作时的暗电流应小于1oonA。
1.4讨论
受实验条件限制和环境影响,未对MGWC的气体放大倍数、位置分辨率及分辨时间进行测量,但在本文第二章“MGWC工作机制研究”基础上,可以分析和推算出这些性能的物理参量,同时根据气体放电理论,也能对改善MGWC性能在结构上提出优化原则不氏方法。
一丁对于研制出的MGWC,利用ANSYS可算出MGWC探测单元的静电场分布,再依据图2.12提供的第一汤生系数,就能够计算出不同工作电压下,MGWC充不同工作气体时,气体的平均放大倍数。
探测单元静电场分布的计算结果表明,MGWC的电子雪崩区基本上集中在距阳极丝表面附近20至30pm以内的空间中,当工作电压从600至l000V变化时,阳极丝周围电场强度的最大值为lookv/(cm.atln)左右,与(1/r)近似呈正比关系(r:
到阳极丝中心的径向距离),因此,依据气体导电理论可推算出对于实验所用的几种工作气体,所研制MGWC的气体平均放大倍数的范围在1护一103之间。
第二章MRPC物理机制研究
2.1引言
RPC出现于1981年,是由两个平行的阻性板(可以通过将碳膜粘贴在玻璃上来实现,电阻率范围在10“至10,3。
/口)而构成的单间隙气体探测器,一般两个阻性板之间的气隙厚度为几个毫米。
RPC可以工作在雪崩和流光两种模式下,主要用于获取粒子时间信号或用作探测器谱仪系统快速触发。
MRPC出现于1995年,是在RPC基础上发展是起来的。
在RPC单层气隙中等间距地加入几层厚度均匀的阻性板(如厚度为几百微米、电阻率范围在101‘至10‘3。
/口的玻璃)就可构成多层间隙的MRPC。
由于M即C具有优良的时间分辨率(在几十Ps量级),且成本低廉,因此己被一些大型谱仪选作飞行时间探测器(TOF、TimeofFight),例如在RHIC一51’AR项目就计划采用MR卫C作TOF来间接测量粒子动量,以提高探测系统的粒子识别能力。
2.2RPC与MR卫C基本结构及工作原理
RPC的电极截面结构如图42示,它是由两块平行的阻性板和各自相连的感应电极构成,两阻性板之间是厚度为几mrQ的气隙,典型RPC的气隙厚度一般为Zn以n以,对宇宙线“子的探测效率在95%以上。
RPC所需要的高压及接地电极是通过在此高阻材料背向气隙一面贴一层导电碳膜来实现的。
常用来做RPC阻性板的材料主要有:
窗玻璃、半导体玻璃和酚醛树脂电木,其相关性能见表4.1。
可见,这三种材料有其各自优缺点、但都不是最理想的。
尽管窗玻璃存在易碎和高电阻导致计数率受限的缺点,但目前国外一些研究机构用其制作RPC还是较成功的。
2.3制作MR护C的主要材料及所充工作气体
2.3.1主要材料
由图4.3可知,制作MRpC用的主要材料有:
蜂窝板、PCB、m贝ar膜、导电碳膜、贴导电膜的玻璃(简称电极玻璃)、分层渔线和构成六层气隙的玻璃(简称气隙玻璃)等。
以下简要说明各材料的主要作用。
蜂窝板的强度较高,因此主要用来撑平PCB,防止其发生变形而影响MRPC内部气隙厚度均匀性,同时也起加固MRPC的作用,另外蜂窝板是由低原子序数的元素构成、密度较小,因此使用蜂窝板还可以减小所探测粒子在其中的散射及能量损失,由此可保持粒子的方向不发生大的改变,并保留较多的能量以利于外围电磁量能器对粒子能量的测量。
PCB的主要作用,一是作感应电极,将感应信号输出;二是利用PCB导孔上焊接的金属插针来绕支撑丝。
PCB上的感应电极是通过印刷电路蚀刻技术形成的,其表面结构如图4.4示。
图中PCB靠近上边缘中心位置处直径约为6mm的孔是留作贴金属导电膜而与高压电极相连的。
2.3.2工作气体
一般RPC与MRPC所充工作气体是由隋性气体、电负性气体和碎灭光子气体等按不同比例配制而成的混合气体。
根据用途不同,不同工作气体和外加高压可以使RPC或MRPC工作在雪崩模式或流光模式下。
RPC与MRPC常用气体主要有,Ar、i一C4HI。
(异丁烷)、SF6(六氟化硫)及CZHZF;(一种氟例昂、型号为F134a)等,一般要求其纯度遨29.丝丝卫j垦4昼为几种满足不同用途RPc与MR卫C的工作气体成份[52]。
2.4MRpC工作机制研究
工作在雪崩模式下的MRpC,其物理过程可以分为初始电离和电子雪崩两个阶段。
由于每个阶段的物理过程都与气体压强有关,而MR卫C一般又工作在一个标准大气压下,因此本文所有分析和计算都是基于标准气体状态。
以下主要从气体导电理论和统计物理学角度出发,分析MRpC单层气隙中初始电离和电子雪崩的微观物理过程。
2.4.1初始电离
高能粒子穿过充有某种工作气体的MRPC时,首先会引起气体电离而在一定长度的气体中产生若干个电子一离子团(。
luster),图4.6示高能粒子穿过MRPC中单层气隙时发生初始电离的示意图。
利用计算粒子在气体中损失能量的软件一HEED[5“],可算出不同能量粒子在单位长度一定气体中产生的平均电子一离子团个数。
图4.7示用HEED计算出的标准气体状态下高能粒子在RPC或MR卫C几种不同工作气体中单位长度上产生的平均电子一粒子团个数随其能量变化曲线[60],可查出最小电离粒子(M正:
mini~ionizationparticle)拜子在MRpC常用工作气体中产生的平均电子一离子团个数约为7.5/nun,而能量为7GeV的7r介子在工作气体中的平均电子一离子团数为9.5/nnrn,由此可以算出团与团之间的平均自由程入,对于料子,N为0.133~,对于7GeV的二介子,污为0.105~。
每个电子一离子团所含电子一离子对个数的概率分布如图4.8「s9]。
可查出每个电子一离子团包含至少10个电子一离子对的概率为10%,从而能算出气隙总厚度为1.32~的MRPC中平均产生约两个电子一离子团而总电子一离子对数超过10的概率为20%。
根据气体导电理论可知,电子一离子团与一团之间的平均自由程入呈指数递减分布,那么在x处与x+dx之间出现第一个电子一离子团的概率。
2.4.2电子雪崩
从微观角度看,在MRPC中,初始电离产生的电子一离子对在气体中是作一种杂乱运动,但从宏观角度看,它们却表现出在气体强电场作用下沿电场方向作漂移运动。
由气体导电理论可知,离子在气体强电场中运动时,因质量较大,自由程又短,不可能积累起足够的能量使与其碰撞的气体分子电离,但电子在大于40kV/(cm.atm)的气体强电场中运动时,却会获得足够的动能使与其碰撞的气体分子发生电离,因此在MRPC电子雪崩阶段,只需考虑电子对气体电子倍增的贡献。
分析电子雪崩物理过程的假设条件是,每个电子在单位长度气体中发生电子雪崩的次数是一个常数即第一汤生电离系数a,a只与气体本身性质和约化电场强度有关。
由于MRPC的工作气体中含有电负性气体,存在电子吸附效应,因此在分析电子雪崩时,应减去电子吸附效应对气体电子倍增的损失。
在MRpC中,实际所用第一汤生电离系数为工作气体的有效汤生电离系数尽、价(a-刀)(刀为工作气体的电子吸附系数,指单位长度上发生电子吸附的次数)。
使用计算气体物理参数的软件能够计算出不同气体的第一汤生电离系数和电子吸附系数。
图4.9示[60】用IMONTE算出的几种即C或MRPC常用工作气体的第一汤生电离系数和电子吸附系数随电场强度变化曲线。
设在x处电子雪崩中有n个电子,那么在x+dx处电子雪崩的增加量就是n因x。
由此可推出平均电子数n和正离子p在单位长度上的倍增量为:
2.4.3MRPC电极板上的感应信号
MRPC电极板上之所以能够产生感应信号在于强电场气体中的电子能够使电子雪崩发生而产生大量电荷,同时也在于每次雪崩产生的大量电子和正离子在强电场气体中作高速漂移运动而使电极板产生感应电流脉冲。
由于电子的漂移速度远大于正离子,MR卫C快信号的贡献绝大部分来自电子,因此以下重点分析MRPC单层气隙中电子漂移在电极板上形成的感应信号,至于多层气隙中电子漂移对感应信号的贡献则是每层气隙中电子漂移在电极板上产生感应信号按一定权重的积分。
2.4.4MRPC单层气隙的本征时间分辨率和探测效率
MRPc作为一种新型飞行时间探测器,被用于探测高能离子碰撞中产生粒子的时间信息时,探测效率和时间分辨率是其各项性能中至关重要的指标,因此有必要从统计学角度分析MRPC的本征时间分辨率和探测效率。
为简化问题,以下分析和计算MRPC单层气隙的时间分辨率和探测效率
2.4.5空间电荷对电子雪崩的影响
在MRPC电子雪崩过程中,电子漂移速度极快,而离子漂移速度较之小约3个数量级,因此必然存在电子已经到达阳极附近而离子仍“滞留”在气体中的现象。
根据Raether条件,此时如果离子数量较少,就不会对气体电场造成影响,但如果电子雪崩强烈,出现大量离子(又称空间电荷)“滞留”在气体中,这些离子就会使其附近的气体电场发生改变,进而影响电子雪崩(即空间电荷效应)。
从MRPC静电场计算结果可知,在静电场中,MRpc玻璃表面的电荷密度为8.85Pc/mm,,远小于单层气隙中产生的平均感应电荷量计算值。
可推测出MRPC中存在空间电荷效应的可能。
另外由正比气体探测器经典理论可知,在均匀气体电场中,电子雪崩产生的电荷量如果远不足以影响气体静电场,那么电子产生的感应电荷与总感应电荷量之比应为常数,同时总感应电荷谱应呈指数递减。
但文献[65]中RPC的测量结果却与之相悖,图4.14、4.15哪]分别示气隙厚度与材料与上述M即C相同时,对于几种不同工作气体,RPC的电子感应电荷量与总感应电荷量之比的测量结果和不同工作电压下总感应电荷谱,可以看出在工作电压比较低时,RPC的电子感应电荷量与总感应电荷量之比可视为常数、总感应电荷谱也呈指数递减(如图4.14a和4.15a所示),这与正比气体探测器经典理论对电子雪崩的论述是一致的。
但随着工作电压升高,电子产生的感应电荷
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