中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室

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1 中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室
大亚湾中微子实验 RPC裸室的宇宙线测试 宁哲 中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室 中国科学院高能物理研究所 2010年 8月14日

2 大 纲 研究背景介绍； 大亚湾RPC裸室的前期研究; 大亚湾RPC裸室的性能测试; 总结；
大 纲 研究背景介绍； 大亚湾RPC裸室的前期研究; 大亚湾RPC裸室的性能测试; 总结； 本报告代表MUC课题组：张家文研究员，马烈华博士，陈进高级工程师等的工作

3 研究背景介绍： 大亚湾RPC裸室的前期研究; 大亚湾RPC裸室的性能测试; 总结； 大亚湾中微子实验； RPC构成的反符合探测器；
BESⅢ-RPC介绍； DYB-RPC介绍； 大亚湾RPC裸室的前期研究; 大亚湾RPC裸室的性能测试; 总结；

4 大亚湾中微子实验 http://dyb3.ihep.ac.cn/ 大亚湾实验是由中国主导的大型基 础科学国际合作项目。
大亚湾实验是在大亚湾核电站群附 近，通过探测其核裂变过程中发射 出的电子反中微子的消失，来精确 测量中微子的混合角之一θ13。 大亚湾核反应堆群是世界上最强的 中微子源之一，并且紧邻高山，为 建造地下实验室以屏蔽宇宙线导致 的本底提供了得天独厚的条件。 大亚湾实验是目前世界上设计精度 最高的中微子实验。 大亚湾实验的本底主要来自探测器材料的天然放射性以及宇宙线，要达到设计精度必须尽可能大的排除本底 用大亚湾的山体作掩盖，建立地下实验室，可以将宇宙线μ子降低到1Hz/m2以下 剩余宇宙线本底的排除，需要利用反符合探测器，探测μ子信号，将μ子产生的本底从信号里扣除 大亚湾实验的反符合探测器有两种：水切伦柯夫探测器和阻性板室探测器（RPC），两种探测器配合探测效率可以达到99.5%以上 2017/3/8

5 RPC构成的反符合探测器 􀁹 反中微子探测器（中心探测器） 两层水切伦科夫探测器 􀁹 反符合探测器（扣除本底） 顶层RPC探测器 􀁹
􀁹 RPC探测器组装成模块，覆盖每个水池AD，共需1600个RPC探测器。 两层水切伦科夫探测器 顶层RPC探测器 总效率 > (99.5±0.25)%

6 工作气体：Ar：C2H2F4 ：Iso-Butane＝50：42：08；
RPC探测器原理 BESⅢ RPC探测器结构示意图 平行板电离室脉冲信号产生原理 BESⅢ RPC： 阻性板材料：酚醛树脂 VS 玻璃、电木； 工作气体：Ar：C2H2F4 ：Iso-Butane＝50：42：08； 工作模式：流光模式 VS 雪崩模式 RPC(Resistive Plate Chamber)探测器是一种新型的气体探测器，最先由意大利的R.Santonic于80年代发明。经过20多年的发展，目前已经在粒子物理实验中得到广泛应用 RPC探测器的优点是探测效率高（>95%），时间分辨好(<2ns)，并且造价较低，因此适合大面积的应用 RPC由两层平行阻性板夹着中间的气隙，呈现一种“三明治”式结构，阻性板上加高压，在气隙中产生均匀电场 快速带电粒子穿越灵敏气隙，与气体分子(一般是单原子惰性气体)发生非弹性碰撞，使气体分子产生电离，产生电子-离子对 初级电离中的电子在电场下继续运动，进一步引起其他气体分子的电离，即次级电离 当电场强度足够大(>kV/cm)时，电子在任意两次碰撞间均可获得足够的能量产生各种电离和激发,形成雪崩过程 气体探测器对α 粒子和电子的气体增益随高压变化趋势 RPC典型的脉冲信号 RPC典型的效率坪曲线

7 BES Ⅲ-RPC介绍 BESⅢMUC探测器几何外形 RPC超层模块几何结构 垫片 石墨层

8 DYB-RPC介绍； 大亚湾有3个实验点，每个实验点都需要RPC模块覆盖 在上方。
大亚湾RPC探测器的尺寸约1m*2m，模块的尺寸约2m*2m 整个大亚湾实验一共需要189个RPC模块，1500多个RPC 探测器。

9 大亚湾RPC裸室的前期研究; 研究背景介绍： RPC体电阻率； RPC探测效率； RPC气体比分； RPC training；
总结；

10 RPC体电阻率 体电阻率 VS 温度 RPC的性能好坏主要取决于阻性板，而体电阻率是阻性板的一个重要技术指标
实验测得的不同温度下的体电阻率换算关系 ρ20 = 10–0.06(20-t) ρt 其中ρt是t温度下的体电阻率，不同温度下所测的值须统一换算到20度室温 RPC的性能好坏主要取决于阻性板，而体电阻率是阻性板的一个重要技术指标 阻性板的体电阻率过大，在一定的高压下，气隙层的电场强度不能保证，在高 计数率状态下，电场恢复时间变长，使得探测器效率降低 体电阻率太小，会使探测器的单计数率与暗电流上升，影响探测器的寿命 阻性板的体电阻率与温度呈指数相关，温度每上升约5度，体电阻率将降低50%

11 RPC探测效率 高压对探测效率的影响 阈值对效率的影响 高阻率RPC 合适阻率的RPC ρ =1* 1013 Ωcm
RPC探测效率 VS 高压 体电阻率选取合适，RPC的探测效率一般能达到95%以上，最高可以达到98% 体电阻率范围在 *1012Ωcm时，RPC的性能良好而稳定

12 Ar 固定为65%，Isobutane 从1%改变到6%时的曲线，研究表明，可以降低异丁烷的含量。
RPC气体比分 Ar 固定为65%，Isobutane 从1%改变到6%时的曲线，研究表明，可以降低异丁烷的含量。 效率曲线 单计数率曲线 暗电流曲线 Ar/R134a/Isobutane = 75/21/4 时SF6 的影响 只要在混合气体中加入0.25%以上的SF6 即可以有效地发挥淬灭作用。加0.5% SF6 情况下， RPC 的效率保持不变，单计数率和暗电流则压低到原来的2/3 和1/2，使RPC 拥有了更好的性能。

13 二次training 前后RPC 效率、单计数率和暗电流曲线的比较
RPC training 新的RPC内表面毛刺和灰尘导致性能很差，通Ar气training有助于在较短的时间内提升RPC性能。Training高压<10 kV；电流<1 mA， 平均training时间53h，此时RPC电流已趋于稳定 二次training 前后RPC 效率、单计数率和暗电流曲线的比较

14 研究背景介绍： 大亚湾RPC裸室的前期研究; 大亚湾RPC裸室的性能测试; 测试系统； 数据监测数据库； 典型性能； 质量控制； 总结；

15 测试系统 RPC 探测器的宇宙线测试系统示意图 后端电子学系统逻辑示意图 望远镜系统（塑料闪烁体+PMT） 高压系统(CEAN SY127)
气体系统(MKS Flow Controller) 电子学系统(NIM + CAMAC) 数据获取系统(Linux平台的计算机及软件) RPC 探测器的宇宙线测试系统示意图 后端电子学系统逻辑示意图

16 数据监测数据库 设计数据库的目的：有效管理，方便统计，共享数据；
RPC数据库的设计采用mysql+php+apache 模式，能够稳定运行在windows和linux平台 采集数据内容： 阻性板的测试，RPC裸室的加工和测试，以及RPC模块的组装和测试过程中的所有数据

17 标准环境（T=293K，P=1010 mbar）下的RPC 的性能
典型性能 测试RPC探测器的探测效率，单计数率（噪声）， 暗电流， 工作高压6kV–9kV 探测效率 :RPC与望远镜的符合计数/望远镜 的计数 单计数率:平均1秒内的所有计数，包含噪声 暗电流:阻性板内的电流 标准环境（T=293K，P=1010 mbar）下的RPC 的性能

18 质量控制 效率，单计数率，暗电流 测试事例数> 10000 测试时间约5个小时/ 6块 合格标准 平均效率达到95%以上
8 kV时，效率>=95%, 单计数率<0.8Hz/cm2 暗电流<10uA/m2 合格标准 平均效率达到95%以上 单计数率集中在0.2 Hz/cm2以下 暗电流低于4μA/m2

19 研究背景介绍： 大亚湾RPC裸室的前期研究; 大亚湾RPC裸室的性能测试; 总结；

20 为了严格控制RPC探测器的裸室质量，设计和建立了一套成本低、 操作方便的裸室效率测量系统；
目前通过测试已有1300多块，还需要200多个合格的裸室；

21 Thanks for your attention!
The End！ Thanks for your attention!