小單元多絲漂移室探測器系統研制

黃鑫杰,尹小豪,何周波,馬 朋,*,胡榮江,*,鄒海川,邱天力,何志軒,秦 智,秦雨浩,魏向倫,楊賀潤,魯辰桂,李 蒙,楊遠勝,李志杰,段利敏

(1.中國科學院 近代物理研究所,甘肅 蘭州 730000;2.中國科學院大學 核科學與技術學院,北京 100049;3.蘭州大學 核科學與技術學院,甘肅 蘭州 730000;4.清華大學 物理系,北京 100084)

蘭州重離子加速器冷卻儲存環(HIRFL-CSR)引出的粒子與初級靶發生反應后形成次級粒子,次級粒子通過放射性束流線(RIBLLⅡ)輸送到外靶終端,與次級靶發生反應形成包含有不同動量的多種出射產物粒子。由于打靶粒子來源于次級束流,束流粒子的入射動量與位置具有較大的分散,需要有靶前探測器精確測量入射粒子的徑跡和動量,這對于后續核反應產物粒子動量的精確測量具有重要的影響,同時結合運動學重構可以輔助分離可能重疊在一起的相鄰徑跡,排除偶然符合事件,降低本底水平[1-4]。有多種位置靈敏探測器可以實現入射粒子徑跡測量,包括多絲漂移室、塑閃光纖陣列、Si微條、Si像素等探測器[5-7]。多絲漂移室具有高位置分辨、高計數率、高探測效率、低物質量、抗輻射、價格便宜與利于大面積制作等優點,是核物理實驗中常用的徑跡測量探測器[8]。為了精確測量入射粒子的徑跡和動量,尋找入射粒子的真實徑跡,本文針對靶前入射粒子徑跡的高精度測量要求,研制小單元多絲漂移室氣體探測器,采用兩套小單元多絲漂移室對400 MeV/u的16O束流位置進行測試,以擬合得到單層電極的位置分辨(擬合殘差)。

1 探測器系統結構及測試

1.1 探測器系統結構

探測器系統由兩套小單元多絲漂移室組成,每套多絲漂移室包括x、x′與y、y′ 2組共4個探測電極面,同組電極面的絲相互平行,2組絲相互垂直,x、x′相對錯位半個漂移單元(y、y′相同),用來提供左右分辨。陽極絲面由間隔分布的陽極絲與場絲組成,陽極絲為直徑20 μm鍍金鎢絲,場絲為直徑75 μm的Be-Cu絲,陽極絲間距為5 mm,陽極絲與場絲間距為2.5 mm,每層有16根陽極絲,靈敏面積為80 mm×80 mm。陰極絲為直徑75 μm的Be-Cu絲,絲間距為2.5 mm。陽極絲面與陰極絲面間距為2.5 mm。圖1為小單元多絲漂移室實物圖與x、x′組絲電極結構示意圖,y、y′組的結構與此完全相同,每組包括2個陽極面與3個陰極面。該探測器系統選擇5 mm小漂移單元,小漂移單元具有約50 ns的較短漂移時間,可以工作在約106Hz高計數率環境下,適宜面積小、計數率高場合下的粒子徑跡探測。

圖1 小單元多絲漂移室實物圖與x、x′絲結構示意圖Fig.1 Small cell multi-wire drift chamber picture and schematic diagram of x, x′ wire structure

1.2 測試條件

在物理上關注入射到次級靶的粒子為重粒子,所以采用400 MeV/u的16O束流研究氣體探測器的性能和參數,圖2為束流測試現場。探測器的工作氣體為Ar(80%)+CO2(20%),陽極絲加+900 V電壓,場絲與陰極絲均接地。陽極絲信號通過隔直電容與SFE16前端電子學連接。SFE16為法國Saclay研制的16路ASIC信號處理器,其功能包括電荷靈敏放大、成形與信號甄別,輸出TOT(過閾甄別)信號[9]。TOT信號輸入到基于CERN開發的HPTDC芯片[10]的數據采集卡中,記錄TOT信號的上升沿與下降沿時間。放置于漂移室前面的T0塑閃探測器,提供入射粒子的起始時刻,由TOT信號前沿與T0相減,可以得到入射粒子徑跡在多絲漂移室中的漂移時間。本實驗中,為得到好的定時精度,SFE16的信號達峰時間設定為最快檔,即42.5 ns,HPTDC分辨設定為100 ps;另外由于安裝空間位置限制,僅有x、x′的信號引出記錄,y、y′的信號沒有接入到數據獲取系統中,后續分析僅針對兩套探測器的x、x′信號。

圖2 束流測試現場Fig.2 Beam flow test site picture

2 數據處理及結果分析

2.1 獲取重建徑跡所需數據

數據處理基于Root分析軟件進行。塑閃起始探測器開門后,統計每層16個陽極信號的點火多重性分布,圖3為其中一層絲的點火多重性分布。圖4為每個事件擊中層數分布。塑閃面積小于多絲漂移室靈敏面積,有開門信號代表有1個粒子穿過漂移室的靈敏區,開門信號數可以作為計算探測效率的歸一化常數,開門信號數中有部分計數為本底計數,在計算真實探測效率時應扣除,本底計數為每個事件擊中層數為0時的計數。因此可以用多重性分布得到每層絲的探測效率。圖5為由以上方法計算得到的4個陽極面的探測效率?？鄢镜浊暗钠骄綔y效率約為95%,扣除本底后的平均探測效率約為99.3%。漂移室的探測效率和點火絲平均多重性與探測器工作電壓以及前端電子學的甄別閾值有關,增大工作電壓會提升探測效率,但也會提高點火絲的平均多重性,對粒子探測帶來不利影響。

圖3 單層絲點火多重性分布Fig.3 Distribution of single-layer wire ignition multiplicity

圖4 每個事件擊中層數分布Fig.4 Distribution of number of layers hit per event

圖5 探測器各層陽極絲面的探測效率Fig.5 Detection efficiency of each layer of detector anode wire surface

當1層絲的點火數大于1時,選取該層可能擊中絲最大范圍內漂移時間較小的點火絲作為擊中絲。陽極絲TOT信號前沿與觸發塑閃T0相減,得到的徑跡漂移譜是相對時間譜,需要確定一個時間零點(T0)對應于粒子徑跡與陽極絲相交位置,本文選擇漂移譜上升斜率最大處[11]作為時間零點。圖6為單層絲對應的漂移時間譜。該漂移室中,電子漂移速度約為5 cm/μs,漂移時間主要集中在50 ns范圍內,其對應的漂移距離為半個漂移單元,即2.5 mm,漂移譜后沿時間較長的事例來自于漂移單元的交界處,場絲附近電場不均勻,存在弱場區,導致漂移時間變長。

圖6 單層陽極面測量得到的漂移時間譜Fig.6 Drift time spectrum by single anode layer

根據漂移距離R與漂移時間T的對應關系(R-T曲線),獲取漂移距離。漂移室的工作氣體成分、溫度、壓力以及工作電壓都會影響電子漂移速度,進而影響漂移距離與漂移時間的關系,因此R-T曲線的精確度對最終的位置分辨有很大影響。本次數據處理中的初始R-T曲線是基于模擬得到的R-T數據,其中R的范圍為0～2.5 mm,T的范圍為0～140 ns。初始R-T曲線需要進行優化調整,優化調整的依據是粒子徑跡擬合后,殘差分布達到最小值。優化方法是采用直線插值法、光滑插值微調模擬R-T曲線[12]:第1步,插值數組T不變,對R對應的數組的每個值以0.1 mm的步長變化,找出徑跡擬合最小殘差,選定R優化數組;第2步,插值數組R不變,對T對應數組的每個值以1 ns的步長變化,選定T優化數組。以上2個步驟交替迭代多次,待徑跡擬合殘差趨于穩定后,即完成了R-T曲線的優化調整。在優化迭代過程中,后期的優化范圍與步長可以逐漸縮小,這有利于R-T曲線的快速高精度優化。得到的最終R-T曲線如圖7所示,該R-T曲線為小單元多絲漂移室優化后的R-T曲線。由插值數組直接獲得的R-T曲線會存在一些波動,對其進行8次多項式擬合,基本可以消除波動。

圖7 小單元多絲漂移室優化后的R-T曲線Fig.7 R-T curve after optimization of small cell multi-wire drift chamber

2.2 徑跡重建

本實驗中入射粒子均為小角度入射,因此近似認為粒子在每層的擊中點坐標為(zi,xi+ri)或(zi,xi-ri),用遍歷法獲取候選徑跡共24種,其中(zi,xi)為陽極絲的二維坐標,ri為粒子徑跡到陽極絲的漂移距離。

采用最小二乘法重建候選徑跡,徑跡重建示意圖如圖8所示。

圖8 徑跡重建示意圖Fig.8 Schematic diagram of trail reconstruction

設直線方程為:

x=az+b

(1)

根據直線方程構建關系式(2),式(2)定義為觀測值xi的偏差的加權平方和,其中N=4(代表4個擊中點)。

(2)

(3)

(4)

圖9 迭代更新r獲取新的擊中位置Fig.9 Iterative update r to get new hit position

2.3 機械修正及位置分辨

漂移室在制作與安裝過程中會帶入幾何位置偏差,因此需要對每層探測器的位置進行微調修正,進而獲取真實位置,提升探測器位置分辨。圖10為對其中一層絲面作x方向平移修正時,徑跡擬合的殘差分布與修正量dx的關系。4個絲面的最大平移修正量均小于0.1 mm。

圖10 進行x方向平移修正時位置分辨與修正量的關系Fig.10 Relationship between position resolution and correction amount when performing x-direction translation correction

由于粒子入射角度較小,在進行z方向平移修正時,徑跡擬合的殘差分布與修正量dz基本無關。

在機械修正后,最終完成徑跡擬合,得到的4個面的徑跡殘差分布可以表征探測器的位置分辨。圖11為總的徑跡殘差分布,高斯擬合得到的位置分辨σ=106 μm。

圖11 擬合4個絲面的徑跡殘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 結論

本文研制了一種用于靶前入射粒子定位的小單元多絲漂移室探測器,探測器靈敏面積為80 mm×80 mm,每套探測器包括x、x′、y、y′共4個探測電極面,每個電極面引出16個陽極絲信號,該探測器具有高位置分辨、高探測效率等優點。由2套小單元多絲漂移室組成的徑跡探測系統對400 MeV/u的16O靶前束流位置進行了測試,探測器選用的工作氣體為Ar(80%)+CO2(20%),陽極絲電壓為+900 V,場絲與陰極絲接地。在該測試中擬合得到的x方向單層電極的位置分辨為106 μm,探測效率為99.3%,該指標可以滿足現階段CSR外靶終端對靶前粒子徑跡定位要求。