[论文解读] Four-gap glass RPC as a candidate to a large area thin time-of-flight detector

V. V. Ammosov, В. А. Гапиенко+5 more|ArXiv.org|Apr 17, 2002

Particle Detector Development and Performance被引用 3

一句话总结

本文提出了一种四间隙玻璃电阻板室（RPC）探测器，具有0.3 mm的气隙，作为粒子物理实验中一种薄型、高时间分辨率的时间飞行（TOF）探测器。在7 GeV/c的π介子束流下进行测试，采用条纹读出方式，在90 cm长度范围内实现了约100 ps的时间分辨率，探测器总厚度约为12 mm，适用于HARP等实验中的大面积、薄型TOF系统。

ABSTRACT

A four-gap glass RPC with 0.3mm gap size was tested with hadron beam as a time-of-flight detector having a time resolution of ~ 100ps. A thickness of the detector together with front-end electronics is ~ 12mm. Results on time resolution dependently on a pad size are presented. This paper contains first result on the timing RPC (with ~ 100ps resolution) having a strip read-out. Study has been done within the HARP experiment (CERN-PS214) R&D work. A obtaned data can be useful if a design of a large area thin timing detector has to be done.

研究动机与目标

• 为HARP实验开发一种厚度小于14 mm的薄型、大面积时间飞行（TOF）探测器。
• 利用具有0.3 mm气隙的四间隙玻璃RPC实现高时间分辨率（约100 ps）。
• 研究时间分辨率与感应电极尺寸的关系，并探索条纹读出方式以提升可扩展性。
• 通过信号合并电子学和优化电极几何结构，最小化读出通道数量。
• 证明使用高电阻率玻璃RPC实现薄型、高性能TOF系统的技术可行性。

提出的方法

• 使用厚度为0.6 mm和1 mm的玻璃板，以及由钓鱼线制成的0.3 mm间隔物，构建四间隙玻璃RPC。
• 采用基于四氟乙烯的气体混合物（C2H2F4/C4H10/SF6，比例为90/5/5），以实现雪崩模式下的稳定运行。
• 使用带宽为1 GHz的4输入前置放大器和时间分辨率为50 ps的TDC进行时间测量，通过信号合并降低通道数量。
• 测试了垫片和条纹读出配置，条纹信号从两端采集，并通过时间平均法提高时间分辨率。
• 在CERN的T10测试区使用7 GeV/c的π介子束流进行测试，利用闪烁体多普勒计时器作为束流触发和时间参考（精度30 ps）。
• 利用ADC数据进行时间-电荷拖曳校正，以补偿幅度相关的信号传播延迟效应，从而提升时间分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 四间隙玻璃RPC在0.3 mm气隙条件下，其时间分辨率如何随垫片尺寸变化？其与信号电极面积的关系如何？
• RQ2 在长距离（最长90 cm）条纹读出中，能否在薄型RPC系统中实现低于120 ps的时间分辨率？
• RQ3 粒子计数率如何影响高电阻率玻璃RPC的时间分辨率和探测效率？
• RQ4 信号合并电子学是否能在不降低时间分辨率的前提下减少读出通道数量？
• RQ5 前端电子学的本征时间分辨率是多少？其对整体系统性能有何贡献？

主要发现

• 当使用8输入信号合并放大器时，四间隙玻璃RPC的时间分辨率与垫片面积呈线性关系：σt = 0.71 + 0.13×S ps，其中S单位为cm²。
• 在90 cm长的条纹读出中，条纹宽度为2.5 cm，通过两端信号采集并进行时间平均，实现了110–120 ps的时间分辨率。
• 所有测试的条纹位置中，3σ探测效率均保持在94%以上，沿条纹长度方向无明显退化。
• 前端电子学的本征时间分辨率测量值为约70 ps，信号幅度合并精度为5–7%。
• 时间分辨率随粒子计数率增加而下降，探测效率从高计数率下小垫片的97%下降至大垫片的94%。
• 系统总厚度约为12 mm（含探测器腔体和前端电子学），满足HARP实验对薄型TOF探测器的要求。