小单元多丝漂移室探测器系统研制.pdf

第58 卷第1期2024年1月原子能科学技术Atomic Energy Science and TechnologyVol.58,No.1Jan.2024小单元多丝漂移室探测器系统研制黄鑫杰1-2，尹小豪1-2，何周波1-2，马朋1.2，胡荣江1.2.，邹海川”，邱天力1-2，何志轩”，秦智4，秦雨浩4，魏向伦12,杨贺润1-2，鲁辰桂1-2，李蒙1-2，杨远胜1-2，李志杰1-2，段利敏1.2（1.中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州7 30 0 0 0;2.中国科学院大学核科学与技术学院，北京10 0 0 49；3.兰州大学核科学与技术学院，甘肃兰州7 30 0 0 0；4.清华大学物理系，北京10 0 0 8 4）摘要：为精确测量CSR外靶终端靶前人射粒子的径迹，研制了多套小单元多丝漂移室探测器，该探测器灵敏面积为8 0 mm80mm，每套探测器包括、c、y、y 4个探测电极面，每个电极面引出16 个阳极丝信号。前端电子学采用基于SFE16芯片的放大器，数据读出系统采用基于HPTDC芯片的数据采集卡。采用两套小单元多丝漂移室对40 0 MeV/u的16 O束流位置进行了测试，探测器的工作气体为Ar（8 0%）+COz（2 0%），阳极丝电压为十9 0 0 V,场丝与阴极丝均接地，拟合得到的单层电极的位置分辨（拟合残差）为10 5.9 m，探测效率为9 9.3%，该指标可以满足现阶段CSR外靶终端大部分核物理实验对反应靶点的定位要求。关键词：小单元；多丝漂移室；位置分辨；探测效率中图分类号：TL811doi:10.7538/yzk.2023.youxian.0154HUANG Xinjiel2,YIN Xiaohaol2,HE Zhoubol2,MA Peng-2.*,HU Rongjiangl-2*,ZOU Haichuan,QIU Tianlil?,HE Zhixuan,QIN Zhi*,QIN Yuhao,WEI Xianglun,YANG Herun,LU Chengui,LI Meng,YANG Yuansheng2,LI Zhijiel-2,DUAN Limin-?(1.Institute of Modern Physics,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China;2.School of Nuclear Science and Technology,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;3.School of Nuclear Science and Technology,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China;4.Department of Physics,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract:In order to accurately measure the path of the incident particles in front of thetarget at the CSR outer target terminal,multiple sets of small cell multi-wire drift文献标志码：ADevelopment of Detector Systemwith Small Cell Multi-wire Drift Chamber文章编号：10 0 0-6 9 31(2 0 2 4)0 1-0 2 18-0 7收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 2；修回日期：2 0 2 3-0 5-0 9基金项目：中国科学院战略重点研究项目（XDB34000000）；国家重点研发计划（2 0 18 YFE0205200）；国家重大科研仪器研制项目（119 2 7 9 0 1）；国家自然科学基金（118 7 530 1118 7 530 2，U1867214，U 18 32 10 5，U 18 32 16 7）；中国科学院功能开发项目(2022G101)*通信作者：马朋，胡荣江第1期chamber detectors were developed with a drift cell of 5 mm.The sensitive area of thisdetector is 80 mm X80 mm,each set of detector includes,a,y and y 4 detectionelectrode surfaces,2 sets of detection electrode surface wires are perpendicular to eachother,and the same direction detection electrode surface wires are misaligned anddistributed for providing left and right resolution,the misalignment distance of 2.5 mmfor half drift cell,each electrode surface leads to 16 anode wire signals.The front-endelectronics uses an amplifier based on the SFE16 chip,a 16-way ASIC signal processingdeveloped by Saclay,France,whose functions include charge-sensitive amplification,shaping and signal screening,and outputting the TOT signal.The TOT signal is inputto a data acquisition card based on the HPTDC chip developed by CERN,which recordsthe rising and falling edge times of the TOT signal.The To plastic flash detector,placedin front of the drift chamber,provides the onset moment of the incident particles.Bysubtracting the TOT signal front from To,the drift time of the incident particle traces inthe multi-wire drift chamber can be obtained.The particles incident to the secondarytarget are physically concerned as heavy particles,so 2 sets of small cell multi-wire driftchambers were used to test the 16O beam position at 400 MeV/u.During the test,theoperating gas of the detector was Ar(80%)+CO(20%),the anode wire voltage was+9oo V,and both the field and cathode wires were grounded.After acquiring the testdata for data processing,the R-T curves were obtained by simulation with interpolationcorrection,and the path traces were reconstructed by least squares method.After thedata processing,the path residual of the single-layer electrode fitted to obtain theposition resolution is 105.9 m,and the path residual is defined as the differencebetween the distance from each hitting wire to the fitted straight line and the driftdistance measured in each layer.The detection efficiency is 99.3%,and the detectionefficiency is defined as the ratio of the count of the multi-wire drift chamber to the countof the plastic flash detector after deducting the background.The above indexes can meetthe requirements of most of the nuclear physics experiments of the CSR external targetterminal for the localization of the reaction target at this stage.Key words:small cell;multi-wire drift chamber;position resolution;detection efficiency兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR)引出的粒子与初级靶发生反应后形成次级粒子,次级粒子通过放射性束流线（RIBLLI）输送到外靶终端，与次级靶发生反应形成包含有不同动量的多种出射产物粒子。由于打靶粒子来源于次级束流，束流粒子的人射动量与位置具有较大的分散，需要有靶前探测器精确测量人射粒子的径迹和动量，这对于后续核反应产物粒子动量的精确测量具有重要的影响，同时结合运动学重构可以辅助分离可能重叠在一起的相邻径迹，排除偶然符合事件，降低本底水平1-4。有多种位置灵敏探测黄鑫杰等：小单元多丝漂移室探测器系统研制219器可以实现人射粒子径迹测量，包括多丝漂移室、塑闪光纤阵列、Si微条、Si像素等探测器5-7。多丝漂移室具有高位置分辨、高计数率、高探测效率、低物质量、抗辐射、价格便宜与利于大面积制作等优点，是核物理实验中常用的径迹测量探测器8 。为了精确测量入射粒子的径迹和动量，寻找入射粒子的真实径迹，本文针对靶前人射粒子径迹的高精度测量要求，研制小单元多丝漂移室气体探测器，采用两套小单元多丝漂移室对40 0 MeV/u的16 0 束流位置进行测试，以拟合得到单层电极的位置分辨（拟合残差）。2201#探测器系统结构及测试1.1探测器系统结构探测器系统由两套小单元多丝漂移室组成，每套多丝漂移室包括、与yy2组共4个探测电极面，同组电极面的丝相互平行，2 组丝相互垂直，、相对错位半个漂移单元（y、y相同），用来提供左右分辨。阳极丝面由间隔分布的阳极丝与场丝组成，阳极丝为直径2 0 m镀金钨丝，场丝为直径7 5m的Be-Cu丝，阳极丝间距为5mm,阳极丝与场丝间距为2.5mm，原子能科学技术第58 卷每层有16 根阳极丝，灵敏面积为8 0 mmX80 mm。阴极丝为直径7 5m的Be-Cu丝，丝间距为2.5mm。阳极丝面与阴极丝面间距为2.5mm。图1为小单元多丝漂移室实物图与、组丝电极结构示意图，、组的结构与此完全相同，每组包括2 个阳极面与3个阴极面。该探测器系统选择5mm小漂移单元，小漂移单元具有约50 ns的较短漂移时间，可以工作在约10 6 Hz高计数率环境下，适宜面积小、计数率高场合下的粒子径迹探测。2.5 mmuuOXOOOOXOO阳极丝场丝阴极丝图1小单元多丝漂移室实物图与、丝结构示意图Fig.1 Small cell multi-wire drift chamber picture and schematic diagram of,wire structure1.2测试条件在物理上关注人射到次级靶的粒子为重粒子，所以采用40 0 MeV/u的16 O束流研究气体探测器的性能和参数，图2 为束流测试现场。探测器的工作气体为Ar（8 0%）+C O z（2 0%），阳极丝加十9 0 0 V电压，场丝与阴极丝均接地。阳极丝信号通过隔直电容与SFE16前端电子学连接。SFE16为法国Saclay研制的16 路ASIC信号处理器，其功能包括电荷灵敏放大、图2 束流测试现场Fig.2Beam flow test site picture成形与信号甄别，输出TOT(过阈甄别)信号 。TOT信号输入到基于CERN开发的HPTDC芯片10 1的数据采集卡中，记录TOT信号的上升沿与下降沿时间。放置于漂移室前面的T。塑闪探测器，提供人射粒子的起始时刻，由TOT信号前沿与T。相减，可以得到人射粒子径迹在多丝漂移室中的漂移时间。本实验中，为得到好的定时精度，SFE16的信号达峰时间设定为最快档，即42.5ns，H PT D C 分辨设定为10 0 ps；另外由于安装空间位置限制，仅有、的信号引出记录，y、y 的信号没有接入到数据获取系统中，后续分析仅针对两套探测器的、信号。2数据处理及结果分析2.1获获取重建径迹所需数据数据处理基于Root分析软件进行。塑闪起始探测器开门后，统计每层16 个阳极信号的点火多重性分布，图3为其中一层丝的点火多重性分布。图4为每个事件击中层数分布。塑闪面积小于多丝漂移室灵敏面积，有开门扣除本底前第1期信号代表有1个粒子穿过漂移室的灵敏区，开门信号数可以作为计算探测效率的归一化常数，开门信号数中有部分计数为本底计数，在计算真实探测效率时应扣除，本底计数为每个事件击中层数为0 时的计数。因此可以用多重性分布得到每层丝的探测效率。图5为由以上方法计算得到的4个阳极面的探测效率。扣除本底前的平均探测效率约为9 5%，扣除本底后的平均探测效率约为9 9.3%。漂移室的探测效率和点火丝平均多重性与探测器工作电压以及前端电子学的甄别阈值有关，增大工作电压会提升探测效率，但也会提高点火丝的平均多重性，对粒子探测带来不利影响。2000016000F12000F数8000F4000F0-1012345678单层丝击中数图3单层丝点火多重性分布Fig.3Distribution of single-layerwireignitionmultiplicity200001600012.000800040000-1012345678每个事件击中层数图4每个事件击中层数分布Fig.4Distribution of numberof layers hit per event当1层丝的点火数大于1时，选取该层可能击中丝最大范围内漂移时间较小的点火丝作为击中丝。阳极丝TOT信号前沿与触发塑闪T。相减，得到的径迹漂移谱是相对时间谱，需黄鑫杰等：小单元多丝漂移室探测器系统研制221要确定一个时间零点（T。）对应于粒子径迹与阳极丝相交位置，本文选择漂移谱上升斜率最大处11作为时间零点。图6 为单层丝对应的漂移时间谱。该漂移室中，电子漂移速度约为5cm/s，漂移时间主要集中在50 ns范围内，其对应的漂移距离为半个漂移单元，即2.5mm，漂移谱后沿时间较长的事例来自于漂移单元的交界处，场丝附近电场不均匀，存在弱场区，导致漂移时间变长。1.11.00.90.8F0.71图5探测器各层阳极丝面的探测效率Fig.5 Detection efficiency of each layerof detector anode wire surface700600500数400F300F200100F0L020406080100120140漂移时间/ns图6 单层阳极面测量得到的漂移时间谱Fig.6Drift time spectrum by single anode layer根据漂移距离R与漂移时间T的对应关系(R-T曲线），获取漂移距离。漂移室的工作气体成分、温度、压力以及工作电压都会影响电子漂移速度，进而影响漂移距离与漂移时间的关系，因此R-T曲线的精确度对最终的位置分辨有很大影响。本次数据处理中的初始R-T曲线是基于模拟得到的R-T数据,其中R的范围为0 2.5mm,T的范围为0 140 ns。初始R-T曲线需要进行优化调整，优化调整的依据是粒子径迹拟合后，残差分布达到最小值。优一扣除本底后23层数4x(mm)222化方法是采用直线插值法、光滑插值微调模拟R-T曲线12 ：第1步，插值数组T不变，对R对应的数组的每个值以0.1mm的步长变化，找出径迹拟合最小残差，选定R优化数组；第2步,插值数组 R不变,对 T对应数组的每个值以1 ns的步长变化，选定T优化数组。以上2个步骤交替迭代多次，待径迹拟合残差趋于稳定后，即完成了R-T曲线的优化调整。在优化送代过程中，后期的优化范围与步长可以逐渐缩小，这有利于R-T曲线的快速高精度优化。得到的最终R-T曲线如图7 所示，该R-T曲线为小单元多丝漂移室优化后的R-T曲线。由插值数组直接获得的R-T曲线会存在一些波动，对其进行8 次多项式拟合，基本可以消除波动。2.52.0F1.5H1.00.50图7 小单元多丝漂移室优化后的R-T曲线Fig.7R-T curve after optimizationof small cell multi-wire drift chamber2.2径迹重建本实验中人射粒子均为小角度人射，因此近似认为粒子在每层的击中点坐标为（zi，i十r)或（zi，i 一r），用遍历法获取候选径迹共2 4种,其中（zi，,)为阳极丝的二维坐标，ri为粒子径迹到阳极丝的漂移距离。采用最小二乘法重建候选径迹，径迹重建示意图如图8 所示。设直线方程为：=a+b根据直线方程构建关系式（2），式（2）定义为观测值的偏差的加权平方和,其中N=4（代表4个击中点）。x=Z;-(ax;+b)J2i-1原子能科学技术第58 卷(uu)NFig.8 Schematic diagram of trail reconstruction由上式即可以得到1个关于参数、b 的函数表达式，当观测值；的偏差的加权平方和最小时求得参数、b 的最佳估计值。计算每层击中丝到直线径迹的距离R，定义。为每层击中丝到拟合直线的距离R，与每层测量的漂移距离r的差的平方和的均值，选取其中最小的作为最佳拟合径迹13-141I;(a:;+b)+900V电压R;=N(R,-r.)2=-2040漂移时间/ns1O2277 mm径迹O图8 径迹重建示意图V1+a60802324100N在重建之初，对击中位置进行近似，如图9所示。得到径迹方程后，更精确的击中位置为rinew=riV1十（tan)，其中rinew为重建径迹与轴的交点到击中丝的距离，为径迹与轴的夹角，新的击中点坐标为（zi，十rinew）或（z i，一rinew），代人上述数据处理过程循环迭代得到最终的二维径迹。将其残差进行高斯拟合，得到每层的位置分辨。残差定义为每层击Z(1)图9 送代更新r获取新的击中位置(2)Fig.9 Iterative update r to get new hit position(3)(4)rinewX/z-ax+b第1期中丝到拟合直线的距离与每层测量的漂移距离的差值151。2.3机械修正及位置分辨漂移室在制作与安装过程中会带入几何位置偏差，因此需要对每层探测器的位置进行微调修正，进而获取真实位置，提升探测器位置分辨。图10 为对其中一层丝面作方向平移修正时，径迹拟合的残差分布与修正量d的关系。4个丝面的最大平移修正量均小于0.1mm。130128126124F122120-0.06-0.04-0.020.00dx/mm图10 进行方向平移修正时位置分辨与修正量的关系Fig.10Relationship between positionresolution and correction amount whenperforming-direction translation correction由于粒子人射角度较小，在进行方向平移修正时，径迹拟合的残差分布与修正量d基本无关。在机械修正后，最终完成径迹拟合，得到的4个面的径迹残差分布可以表征探测器的位置分辨。图11为总的径迹残差分布，高斯拟合得5000F4000F3 0002.000F1000F0-0.5-0.3-0.1r/mm图11拟合4个丝面的径迹残差分布得到的位置分辨Fig.ll Position resolution obtained by fitting residualdistribution of path traces of four wire surfaces黄鑫杰等：小单元多丝漂移室探测器系统研制0.1223到的位置分辨。=10 6 m。3结论本文研制了一种用于靶前人射粒子定位的小单元多丝漂移室探测器，探测器灵敏面积为80mmX80mm，每套探测器包括、y、y 共4个探测电极面，每个电极面引出16 个阳极丝信号，该探测器具有高位置分辨、高探测效率等优点。由2 套小单元多丝漂移室组成的径迹探测系统对40 0 MeV/u的1O靶前束流位置进行了测试，探测器选用的工作气体为Ar（8 0%）十CO,（2 0%),阳极丝电压为十9 0 0 V,场丝与阴极丝接地。在该测试中拟合得到的方向单层电极的位置分辨为10 6 m，探测效率为9 9.3%，该指标可以满足现阶段CSR外靶终端对靶前粒子径迹定位要求。10.020.040.0610.3参考文献：1 XIAJW,ZHAN WL,WEI BW,et al.Theheavy ion cooler-storage-ring project（H IR FL-CSR)at LanzhouJ.Nuclear Instruments andMethods in Physics Research A,2002,488(1-2):11-25.2YUAN Y J,YANGJ C,XIA J W,et al.Statusof the HIRFL-CSR complexJ.Nuclear Instru-ments and Methods in Physics Research B,2013,317:214-217.3ZHAN W L,XIA J W,ZHAO H W,et al.HIRFL todayLJJ.Nuclear Physics A,2008,805(1-4):533-540.4SUN Y Z,SUN Z Y,WANG S T,et al.Thecharged fragment detector system of the externaltarget facilityJJ.Nuclear Instruments and Methodsin Physics Research 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