高能高密度前沿新型窄气隙PRC气体探测器研究

Based on well-proven Resistive Plate Chamber (RPC) technology, we propose to develop large area(~2m×1m), thin gap(~1mm), low resistivity (~1E9 Om?cm) Bakelite plate chamber (TGRPC), aiming to provide high rate capability >10 kHz/cm2, good time resolution <1ns and fine granularity <<1mm, within fast response time as ~10ns. The development will be focused on low resistivity RPC material, the configuration of the RPC detector and associated front-end electronics for the trigger primitives. The new TGPRC design would assemble TOF+Tracker+Trigger capability into one detector, and thus have wide practical applications at the future energy and intensity frontiers of exceptionally high luminosity and hostile environment.

Level-1一级触发必须具备在极短时间内，从大量本底事例中筛选稀有物理信号的能力，这是TeV实验研究得以开展的关键。现有气体探测器无法满足高能高密度前沿大本底极端环境下工作的技术要求。我们提出利用阻性板RPC探测器优良的时间特性，研制大面积(~2m×1m)、窄气隙(~1mm)、低阻材料(~1E9 Om?cm)新型TGRPC探测器，实现具有极高事例率(>10kHz/cm2)、高精度位置分辨(<<1mm)与时间分辨(<1ns)的径迹触发系统。拟开展新型阻性材料、探测器结构、高灵敏读出电子学研究。在以上三方面成果基础上，集成创新，研制具备飞行时间(TOF)+径迹测量(Tracker)+在线触发(Trigger)特性于一身的窄气隙TGPRC探测器，为未来高能高密度前沿、以及要求高计数率高分辨率的其他实验学科提供强有力的新型实验设备。同时，课题将为制定TGRPC技术标准与大规模生产提供基础。

本课题针对高能高密度核与粒子物理实验前沿，开展基于阻性板气体探测器RPC(Resistice Plate Chamber)技术，能够在强辐照大本底环境下，具有高时间分辨的大面积径迹触发系统研究。.取得的主要物理成果：1）研制大面积窄气隙(1.15cm)、精密长读出条(1.27mm)RPC。读出条两端采用高分辨快速TDC和电荷积分ADC电子学。在CERN束流测试结果证明单气隙TGRPC能够实现<600ps的时间分辨，利用信号时间信息能够实现主要方向<0.3mm、次级方向<1cm在线位置测量精度。物理结论支持了采用RPC技术作为高速高精度在线径迹触发系统的设想，为ATLAS Muon Phase1 BIS7和Phase2 BI RPC在线触发系统升级提供了依据；2）开展传统电木板材料与结构改进研究，尝试在材料酚醛树脂中掺杂碱金属离子、以及在电木板结构上采用碳膜夹层carbon-embedded方法以降低Bakelite的有效电阻。碱金属掺杂需要保持环境湿度，并且在电荷积累模拟老化实验中出现电阻率不稳定情况。而以碳膜夹层结构试制的RPC探测器，在CERN GIF强辐照测试中，表现出良好的高本底环境工作效率。这两项RPC材料与结构改进研究，为未来极高本底环境下设计RPC触发系统提供了有益的尝试；3）与罗马二大合作，开展降低窄气隙RPC工作高压研究，研发基于BJT(Bi-polar Junction Transistor) Si技术的极灵敏前端放大-成形-甄别ASD读出电子学。完成测试芯片与探测器联调，并在CERN 180GeV muon束流线暨GIF++强源下进行测试。探测器工作电压可由采用传统读出的7000V降低到5600V，初步证明BJT Amplifier读出电子学设计的有效性。.相关研究成果发表在NIM A714 (2013) 115和JINST 9 (2014) C11013上。同时，窄气隙RPC探测器课题与ATLAS Muon谱仪触发系统升级密切结合。2015年，科大作为成员单位参加ATLAS Phase 1 BIS7 RPC升级；2016年，推动“科技部重点研发计划”立项，参加ATLAS Phase 2 BI RPC升级预研。