采用四角读出的位置灵敏MicroMegas探测器研制

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环形正负电子对撞机(CEPC)是由中国粒子物理学家们提出的新一代大型正负电子对撞机项目,其主要物理目标是在高亮度的正负电子对撞中对希格斯(Higgs)粒子以及其他标准模型粒子(比如Z玻色子)和过程进行精确测量,以及探寻超出标准模型的新物理现象。其中,基于Z玻色子的很多测量要求探测器谱仪具有好的强子鉴别(主要是κ与π的鉴别)能力。  环像契伦科夫探测器(RICH)因其具有动量响应范围宽的优点,在高能物理实验中作为强子鉴别探测器得到广泛应用,也成为CEPC实验上强子鉴别的重要技术选项。RICH通过探测契仑科夫光对强子进行鉴别,相应地,光探测器是RICH的关键部件。CEPC实验上的RICH(CEPC-RICH)对光探测器的要求为:极大的探测面积、单光子灵敏、较好的位置分辨和较高的计数率能力,研制满足以上要求的光探测器也成为CEPC-RICH研发的关键。微结构气体探测器有着高计数率能力、好的位置分辨、低的光子和离子反馈率、并能大面积制作,采用合适的结构并结合适当的光电转换层,可以成为CEPC-RICH的理想光探测器。本论文提出采用由MicroMegas和THGEM组合而成的混合型微结构气体探测器作为CEPC-RICH的光灵敏探测器,并在此技术路线下对CEPC-RICH开展了多项模拟和实验研究。  为实现小于1GeV/c到40GeV/c粒子鉴别,CEPC-RICH的初步设计方案考虑使用液(固)相RICH和气相RICH的混合结构。模拟工作针对气相RICH展开。通过GEANT4工具包对气相RICH进行了模拟研究,结果表明:气相RICH在合适的辐射体和足够好的光探测位置分辨(<500μm)下可以区分动量高达40GeV/c的κ和π粒子,从而满足CEPC实验要求。在此基础上,针对MicroMegas和THGEM混合型光探测器方案,研究了一种采用四角读出的阻性MicroMegas探测器。采用热粘接工艺制作了MicroMegas的放大区部分,在制作过程中,通过应用水溶膜和激光切割新方法,提升了探测器放大区的均一性。成功把四角读出方式应用到MicroMegas探测器中:在MicroMegas读出阳极中的读出块四周添加低阻边界,从读出块四个顶点读出信号,通过比较四个顶点的信号幅度反推出雪崩发生的位置,从而在保持足够好的位置分辨的前提下极大减小了读出通道数。研究了阻性参数对四角读出方式固有枕形畸变的影响,得到了最优面电阻组合。为了做出符合要求的阻性阳极,实验以丝网印刷方式进行阻性阳极工艺研究,并最终集成到电路板上。测试结果表明,1cm×1cm颗粒度下探测器位置分辨约为250um,满足单光子探测的要求。进一步研究了电子学成形时间对位置分辨能力的影响,发现在10μs内,位置分辨随成形时间增加逐渐变好。  本论文研究的基于四角读出的MicroMegas探测器在保持同等位置分辨的前提下,读出通道数可以减小两个数量级,在CEPC-RICH大面积光探测的应用中具有极大优势。此外,这种MicroMegas探测器也可应用到μ子成像,时间投影室等领域。
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