[论文解读] The AMS-02 RICH Imager Prototype - In-Beam Tests with 20 GeV/c per Nucleon Ions -

M. Buénerd, P. Aguayo+33 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2003

Particle Detector Development and Performance被引用 5

一句话总结

本文报告了在CERN使用20 GeV/c每核子的离子对AMS-02空间实验用原型RICH（环形成像切伦科夫）探测器进行的束流测试。该原型探测器采用氟化钠和气硅气凝胶辐射体及多阳极光电倍增管，对铁（Z = 26）实现了σ(Z) ≈ 0.3的电荷分辨率，证明了在宇宙射线研究中实现同位素识别与速度测量的可行性，对轻离子的β分辨率优于千分之一。

ABSTRACT

A prototype of the AMS Cherenkov imager (RICH) has been tested at CERN by means of a low intensity 20 GeV/c per nucleon ion beam obtained by fragmentation of a primary beam of Pb ions. Data have been collected with a single beam setting, over the range of nuclear charges 2

研究动机与目标

• 在真实束流条件下验证AMS-02 RICH成像仪原型的设计与性能。
• 测量重离子（Z ≈ 45）的电荷（Z）与速度（β）分辨率。
• 评估使用气硅气凝胶和NaF辐射体时，RICH计数器的同位素识别能力。
• 评估高Z下探测器像素尺寸对速度分辨率的影响。
• 基于原型数据建立飞行模型的性能基准。

提出的方法

• 在CERN的SPS束流设施中测试了包含96个探测器单元的原型RICH计数器，每个单元配备16个阳极的PMT和光导矩阵。
• 束流通过20 GeV/c每核子的Pb离子碎片化产生，生成A/Z比从2到45的次级离子。
• 切伦科夫光子通过邻近聚焦几何结构收集，使用折射率n = 1.33的氟化钠（NaF）和n = 1.03–1.05的气硅气凝胶辐射体。
• 使用读取1536个通道的DAQ系统采集数据，四天内记录了500万事件。
• 从环形成像图案中提取电荷与速度分辨率，并与飞行时间（TOF）和dE/dX测量结果相关联。
• 速度分辨率建模为σ(β) = 10⁻⁴√[(8.2)²/Z² + (1.2)²]，其中常数项归因于像素尺寸限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在RICH原型中，对Z ≈ 26的铁核，可实现的电荷分辨率（σ(Z)）是多少？
• RQ2 对于Z = 1至Z ≈ 45的离子，速度分辨率（Δβ/β）如何随核电荷Z变化？
• RQ3 使用气硅气凝胶和NaF辐射体时，RICH原型在多大程度上能区分不同Z的同位素？
• RQ4 高Z下限制速度分辨率的因素是什么？是否与像素尺寸效应一致？
• RQ5 原型能否在宇宙射线动量范围A < 20、1 GeV/c < P/A < 12 GeV/c内实现同位素识别所需的性能？

主要发现

• 原型对铁（Z = 26）实现了σ(Z) ≈ 0.3的电荷分辨率，与设计估算值高度一致。
• 对轻离子（Z = 1）的速度分辨率为Δβ/β ≈ 10⁻³，与宇宙射线模拟预期一致。
• 对于Z < 7，速度分辨率随σ(β) ∝ Z⁻¹改善；但对于Z > 25，其值趋于稳定，达到约1.2 × 10⁻⁴的Z无关常数值。
• 高Z下观测到的速度分辨率受限于光电探测器平面的像素尺寸，其行为与模型σ(β) = 10⁻⁴√[(8.2)²/Z² + (1.2)²]一致。
• 对Z从2到>45的离子，清晰观测到切伦科夫环，光子产额从Z = 1时的4–7（平均）到高Z离子时达数千。
• 与TOF和dE/dX测量结果的相关性证实了RICH在铁区域能力实现同位素识别。