[论文解读] The Ring Imaging Cherenkov detector (RICH) of the AMS experiment

F. Barão, M. Aguilar Benitez+38 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2006

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 2被引用 5

一句话总结

AMS RICH探测器采用近场聚焦环形切伦科夫成像技术，使用折射率为1.05的气凝胶辐射体和基于光电倍增管的光子探测系统，测量粒子速度与电荷。利用158 GeV/c的In离子束在CERN进行的在束测试验证了单电荷粒子的0.1%速度分辨率以及铁元素的电荷分离能力，证实了该设计在空间宇宙射线物理研究中的可行性。

ABSTRACT

The Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) experiment to be installed on the International Space Station (ISS) will be equipped with a proximity focusing Ring Imaging Cherenkov (RICH) detector for measuring the electric charge and velocity of the charged cosmic particles. A RICH prototype consisting of 96 photomultiplier units, including a piece of the conical reflector, was built and its performance evaluated with ion beam data. Preliminary results of the in-beam tests performed with ion fragments resulting from collisions of a 158 GeV/c/nuc primary beam of Indium ions (CERN SPS) on a Pb target are reported. The collected data included tests to the final front-end electronics and to different aerogel radiators. Cherenkov rings for a large range of charged nuclei and with reflected photons were observed. The data analysis confirms the design goals. Charge separation up to Fe and velocity resolution of the order of 0.1% for singly charged particles are obtained.

研究动机与目标

• 实现在国际空间站上对宇宙射线研究的精确粒子速度与电荷测量。
• 实现单电荷粒子0.1%的相对速度分辨率，以支持同位素分离与暗物质探测。
• 实现对铁元素（Z = 26）的电荷分辨能力，以理解宇宙射线传播与银河系输运机制。
• 在严格的质量、功耗和材料限制下，将轻质、低功耗的RICH探测器集成到AMS谱仪中。
• 在飞行集成前，利用离子束数据验证原型RICH探测器的性能。

提出的方法

• 采用具有截断圆锥几何结构的近场聚焦环形切伦科夫（RICH）设计，并使用双固体辐射体（气凝胶与NaF）。
• 使用680个像素化光电倍增管读出单元，配合12位ADC数字化与低功耗前端电子系统，处理光子信号。
• 采用高反射率圆锥形反射镜，以提高接受度与光子收集效率。
• 利用96通道原型RICH探测器，具备可调膨胀高度与可变气凝胶样品，以在束流条件下测试性能。
• 采用两种独立的重建方法进行速度与电荷测量，信号处理针对动态范围与光电子灵敏度进行优化。
• 利用158 GeV/c/nuc的In离子束撞击Pb靶，产生碎片离子（Z < 49），用于验证性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在空间环境中，RICH探测器能否实现单电荷粒子0.1%的相对速度分辨率？
• RQ2 RICH探测器能否以足够精度分辨至铁元素（Z = 26）的电荷，以支持宇宙射线同位素丰度测量？
• RQ3 哪些气凝胶辐射体特性（折射率、透明度、厚度）最优化光子产额与环形重建效率？
• RQ4 反射镜的反射率与光学均匀性如何影响环形成像性能与速度分辨率？
• RQ5 原型RICH系统能否在真实束流条件下实现飞行集成前所需的性能指标？

主要发现

• 使用折射率为1.05的气凝胶，原型RICH探测器对氦离子实现了约0.45 × 10⁻³（0.045%）的相对速度分辨率。
• 对低Z离子观察到约0.15的电荷分辨率，系统性不确定度为1.2%，与电荷成比例，主要源于非均匀性影响。
• 在重建数据中清晰识别出至铁元素（Z = 26）的电荷峰，证实了电荷分离能力。
• 在2003年CIN气凝胶样品中观察到最高光子产额，其折射率为1.05，透明度约为~0.0055 μm⁻⁴/cm，该样品被选为最终辐射体。
• 从数据测得的反射镜反射率与设计值高度一致，证实了光学性能。
• 探测器达到设计目标，通过使用碎片化In离子的在束测试，确认了0.1%的速度分辨率与铁元素的电荷分离能力。