[论文解读] Technical design report for the endcap disc DIRC $^{*}$

Fabrizio Davı́, W. Erni+465 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle Detector Development and Performance参考文献 37被引用 5

一句话总结

本技术设计报告详细介绍了PANDA实验在FAIR装置中使用的PANDA端盖盘式DIRC粒子鉴别探测器，该探测器利用折射和聚焦光学元件探测带电粒子产生的切伦科夫光子。该系统采用MCP-PMT、定制ROM及氮气吹扫技术，以维持低湿度环境，实现机械坚固、免维护的设计，专为高磁场环境下高计数率运行而优化，表现出优异的π介子-K介子分离性能。

ABSTRACT

PANDA (anti-proton annihiliation at Darmstadt) is planned to be one of the four main experiments at the future international accelerator complex FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) in Darmstadt, Germany. It is going to address fundamental questions of hadron physics and quantum chromodynamics using cooled antiproton beams with a high intensity and and momenta between 1.5 and 15 GeV/c. PANDA is designed to reach a maximum luminosity of 2 × 10$^{32}$ cm$^{−2}$ s. Most of the physics programs require an excellent particle identification (PID). The PID of hadronic states at the forward endcap of the target spectrometer will be done by a fast and compact Cherenkov detector that uses the detection of internally reflected Cherenkov light (DIRC) principle. It is designed to cover the polar angle range from 5° to 22° and to provide a separation power for the separation of charged pions and kaons up to 3 standard deviations (s.d.) for particle momenta up to 4 GeV/c in order to cover the important particle phase space. This document describes the technical design and the expected performance of the novel PANDA disc DIRC detector that has not been used in any other high energy physics experiment before. The performance has been studied with Monte-Carlo simulations and various beam tests at DESY and CERN. The final design meets all PANDA requirements and guarantees sufficient safety margins.

研究动机与目标

• 为FAIR装置中的PANDA实验设计一个高性能、免维护的粒子鉴别系统。
• 通过采用具有折射和聚焦光学元件的盘状DIRC实现精确的π介子- K介子分离。
• 确保在高磁场环境中长期稳定运行并具备抗辐射能力。
• 将探测器集成至PANDA端盖，对探测器可及性与冷却系统的影响降至最低。
• 实施氮气干燥气体系统，以保护对湿度敏感的光学部件免受湿气和脱气影响。

提出的方法

• DIRC利用熔融石英辐射体盘和聚焦光学元件，将切伦科夫光子引导至MCP-PMT。
• 每个象限均组装为刚性、对准稳定的单元，集成ROM（读出模块）外壳。
• 通过沿稳定十字结构布置的3 mm管路输送干燥氮气，维持光学部件周围的低湿度环境。
• 高压（HV）和低压（LV）电缆、数据光纤及冷却管线通过带200 mm z向间距的结构化电缆槽进行布线。
• 前端电子（FEE）置于ROM外壳外部，以减少脱气和对光学部件的热负荷。
• 系统设计支持在长期停机期间模块化更换MCP-PMT和ROM。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何为PANDA实验的高磁场环境设计一种高精度、免维护的DIRC？
• RQ2 何种机械结构与气体净化配置可最优保护对湿度敏感的熔融石英光学部件免受湿气和脱气影响？
• RQ3 如何在不损害机械稳定性或可及性的前提下实现高压、数据与冷却管线的集成？
• RQ4 为维持所有光学部件周围低湿度环境，所需气体流量及分布应如何确定？
• RQ5 如何设计系统以实现关键部件（如MCP-PMT）的未来更换，而无需完全拆卸探测器？

主要发现

• PANDA端盖盘式DIRC设计为刚性、对准稳定的单元，每个象限配备96个MCP-PMT和96个ROM。
• 每象限每小时数升的干燥氮气流量系统可维持光学部件周围的低湿环境。
• 系统总电缆截面积达10,100 mm²，包含高压、低压、数据、气体、冷却及激光管线的专用布线。
• FEE置于ROM外壳外部，以最小化脱气和对光学部件的热负荷。
• 该设计支持MCP-PMT与ROM的模块化更换，但MCP-PMT更换需拆除整个EDD。
• 系统设计为在高计数率、高磁场条件下实现免维护运行，单个MCP-PMT故障不会导致显著性能下降。