[论文解读] A Cosmic Ray Measurement Facility for ATLAS Muon Chambers

O. Biebel, M. Binder+16 more|ArXiv.org|Jul 30, 2003

Particle Detector Development and Performance参考文献 2被引用 10

一句话总结

本论文介绍了一项位于慕尼黑路德维希-马克西米利安大学的宇宙射线测量设施，该设施可在安装前对ATLAS MDTμ子室进行高精度校准与测试。利用宇宙射线μ子，该设施在室平面内实现8.3 μm的电极丝位置测量精度，垂直方向为27 μm，实现了ATLAS中独立μ子动量重建的亚20 μm精度。

ABSTRACT

Monitored Drift Tube (MDT) chambers will constitute the large majority of precision detectors in the Muon Spectrometer of the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider at CERN. For commissioning and calibration of MDT chambers, a Cosmic Ray Measurement Facility is in operation at Munich University. The objectives of this facility are to test the chambers and on-chamber electronics, to map the positions of the anode wires within the chambers with the precision needed for standalone muon momentum measurement in ATLAS, and to gain experience in the operation of the chambers and on-line calibration procedures. Until the start of muon chamber installation in ATLAS, 88 chambers built at the Max Planck Institute for Physics in Munich have to be commissioned and calibrated. With a data taking period of one day individual wire positions can be measured with an accuracy of 8.3 micrometers in the chamber plane and 27 micrometers in the direction perpendicular to that plane.

研究动机与目标

• 在安装前对在MPI慕尼黑制造的88个ATLAS MDTμ子室进行调试与校准。
• 以亚20 μm的精度测量MDT室中电极丝的三维位置，以实现独立μ子动量测量。
• 利用宇宙射线μ子验证室的几何结构与对准情况，并与X射线断层扫描结果进行比较。
• 开发并测试大规模μ子谱仪运行所需的在线校准程序与对准系统。
• 确保在受控环境条件下，室的机械与电子稳定性。

提出的方法

• 宇宙射线触发系统使用三个闪烁体多层探测器（一层上层，两层交错下层）来探测动量大于600 MeV的μ子。
• 通过MDT室中的漂移时间重建μ子轨迹，时间分辨率小于800 ps，x方向位置分辨率为8 cm。
• 通过测量到电极丝的漂移时间并应用经X射线断层扫描校准的r-t关系，确定电极丝位置。
• 非接触式对准系统（RasNik与电容传感器）以小于5 μm的精度监测室的位置。
• 通过轨迹拟合与残差分析，从宇宙射线数据中提取几何参数，如层间偏移、网格常数与倾斜度。
• 数据筛选包括对多层探测器触发、轨迹质量及估算μ子能量的限制，以减少背景并提高分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 宇宙射线测量能否实现ATLAS中独立μ子动量重建所要求的20 μm电极丝位置精度？
• RQ2 宇宙射线测量的电极丝位置精度与X射线断层扫描结果相比如何？
• RQ3 MDT室中层间偏移、网格常数与角度错位的测量可达到何种精度？
• RQ4 该设施能否以每周最多两个的速度可靠地校准与调试88个MDT室？
• RQ5 环境与对准效应如何影响测量分辨率与一致性？

主要发现

• 在28小时数据采集后，宇宙射线测量设施在室平面内实现8.3 μm的电极丝位置分辨率，垂直方向为27 μm。
• 该设施对层间偏移的测量精度为1.8 μm，对网格常数的分辨率为0.15 μm。
• z方向的层间位移测量精度为4.4 μm，绕x轴的倾斜角测量精度为17×10⁻⁶ rad。
• 宇宙射线测量的电极丝位置与X射线断层扫描结果相比，RMS差异为23 μm，表明设施的分辨率受其自身系统限制。
• 对层间位移与网格常数的测量结果与断层扫描数据高度一致，验证了该设施校准精度的可靠性。
• 该设施成功支持了88个BOS型MDT室的调试，实现每周最多两个的速率，满足ATLAS安装时间表要求。