[论文解读] Twin GEM-TPC Prototype (HGB4) Beam Test at GSI - a Development for the Super-FRS at FAIR

F. García, R. Turpeinen+31 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Particle Detector Development and Performance被引用 4

一句话总结

本文介绍了在GSI进行的HGB4双GEM-TPC原型束流测试，展示了通过具有相反电场的双GEM配置，在高达1 MHz的高事件率下实现接近100%的触发效率。使用Ca、Bi和U束流（300 MeV/u）的测试结果表明，在150–320 V/cm的电场范围内性能稳定，控制和（c.s.）的sigma值变化极小，表明在低电场下运行时性能不会退化，具有潜在优势。

ABSTRACT

The GEM-TPC detector will be part of the standard Super-FRS detection system, as tracker detectors at several focal stations along the separator and its three branches.

研究动机与目标

• 开发一种GEM-TPC设计，以在FAIR的Super-FRS中实现高达1 MHz事件率下的接近100%触发效率。
• 通过引入具有相反电场的双GEM配置，解决以往GEM-TPC原型中高事件率触发效率未满足的需求。
• 在GSI使用重离子束进行真实束流条件下的测试，验证双GEM-TPC原型（HGB4）的性能。
• 测量控制和（c.s.）随电场强度的变化，以评估不同电场设置下的时间分辨率和稳定性。

提出的方法

• HGB4原型采用两个GEM-TPC以双结构配置组装，沿水平中面对称翻转，使电场笼中产生相反的电场。
• 束流测试使用GSI的SIS18加速器提供的300 MeV/u Ca、Bi和U束流进行。
• 通过多事件TDC（Caen V1290）测量第三层GEM薄片底部信号的时间，获得漂移时间。
• 控制和（c.s.）计算公式为：c.s. = Tup + Tdown – 2Tref，其中Tup和Tdown分别为两个电场笼的漂移时间，Tref为来自塑料闪烁体的参考时间。
• 在150 V/cm至320 V/cm的电场范围内进行测量，以评估时间稳定性和分辨率。
• 分析控制和分布及其sigma值，以评估时间性能和电场依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 双GEM-TPC配置是否能如模拟预测的那样，在高达1 MHz的事件率下实现接近100%的触发效率？
• RQ2 在HGB4原型中，控制和（c.s.）分布如何随150 V/cm至320 V/cm的电场强度变化？
• RQ3 时间分辨率（由c.s.分布的sigma值指示）在较低电场下是否会显著退化？
• RQ4 HGB4原型在多次束流条件和电场设置下是否表现出稳定性和可重复性？
• RQ5 双GEM-TPC设计在300 MeV/u的重离子束照射下能否保持一致的性能？

主要发现

• 控制和（c.s.）分布的sigma值在150 V/cm至320 V/cm的电场范围内变化极小，表明时间性能稳定。
• c.s.分布的sigma值保持相对恒定，表明HGB4原型可在较低电场下有效运行，且性能无显著退化。
• 使用Ca、Bi和U离子的束流测试证实了双GEM-TPC设计在高事件率条件下的功能性和鲁棒性。
• 不同束种的控制和测量值保持一致，证明了探测器的可靠性和可重复性。
• 结果支持在FAIR的Super-FRS中采用双GEM-TPC配置以实现接近100%触发效率的可行性。
• HGB4原型在测试的电场范围内表现出稳定性能，验证了其在Super-FRS中未来应用的设计合理性。