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TPC探测器漂移电场的模拟研究及改进

作　者: 郑保军
导　师: 李玉兰
学　校: 清华大学
专　业: 核科学与技术
关键词: 漂移电场电子漂移空间电荷格林函数法
分类号: O572.212
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 24次
引　用: 1次
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内容摘要

时间投影室TPC是一种高精度的径迹探测器,可以读出带电粒子的三维径迹、动量和dE/dx,具有很高的粒子识别能力,在很多大型高能粒子实验中得到广泛应用。TU-TPC是清华大学工物系搭建成功并有很好性能的基于气体电子倍增器GEM读出的TPC探测器系统,为论文工作提供了一个研究和改进的平台。漂移电场对于TPC的性能十分重要,其影响因素有两个:一是Field Cage产生的静态电场,二是空间电荷导致的动态电场。获取理想的静态电场是探测器设计和制作的首要任务,以保证探测器性能。与此同时,空间电荷堆积不可避免,尤其对于HPLUS和PANDA等实验,在需要TPC达到较高的位置和动量分辨能力的同时,很高的事例率及无门控抑制正离子反馈造成初级电离正离子和反馈正离子在漂移区的堆积,导致电场的恶化。衡量漂移电场畸变程度和修正粒子重建径迹意义很大。根据以上漂移电场的改善要求和其面临的难题,论文的主要工作立足于研究TPC漂移电场的影响因素以实现其性能的改进。为了研究和改进探测器的漂移电场,论文的主要内容包括:1,针对静态漂移电场设计,模拟了单层和镜像电极Field Cage及在GEM周围引入保护环前后的初始电场,仿真了相应静态电场内的电子漂移并获取了电子的各向漂移量;2,为了计算空间电荷电场,根据格林函数法求解泊松方程,推导和借鉴了适用于TPC的格林公式,给出了电场计算的解析形式,并计算了单元区域内电荷均匀分布的电场,展示了TPC空间电场求解的具体步骤;3,选择初始电场最优的镜像电极Field Cage并引入保护环设计新的TPC漂移电场;4,重新搭建、改造TU-TPC并测试和比较改造前后的性能指标,验证静态电场的改进。研究初始电离位置和投影位置的差别对修正粒子径迹意义重大。因此,论文研究了解析计算电子漂移的办法,获取了简单电场内的漂移结果,和Garfield仿真相比,解析计算简便易行、便于电场导入,且结果准确。最后,论文研究了多种气体成分,以选择能够降低空间电荷堆积和维持探测器性能的工作气体。论文工作的完成对于提高和保持探测器性能以及扩展TPC探测器在高事例率对撞实验中的应用有指导性价值。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-10
第1章引言  10-24
  1.1 TPC 探测器  10-13
    1.1.1 TPC 探测器工作原理  11-12
    1.1.2 TPC 端盖读出探测器  12-13
  1.2 GEM 探测器  13-18
    1.2.1 GEM 膜的介绍  14-15
    1.2.2 GEM 探测器工作原理  15-16
    1.2.3 GEM 探测器性能  16-18
  1.3 课题背景  18-22
    1.3.1 GEM-TPC 构成及其优势  18-19
    1.3.2 GEM-TPC 当前的研究热点  19-20
    1.3.3 GEM-TPC 面临新的挑战  20-22
  1.4 课题内容及意义  22-24
第2章静态漂移电场模拟及设计  24-37
  2.1 静态漂移电场仿真  25-31
    2.1.1 单层电极Field Cage 静态电场  25-29
    2.1.2 镜像电极Field Cage 静态电场.  29-31
  2.2 guard ring 的设计  31-32
  2.3 静态电场内电子漂移仿真  32-35
    2.3.1 利用Ansys 仿真静态漂移电场  32-33
    2.3.2 利用Garfield 仿真电子漂移.  33-35
  2.4 TU-TPC 改进方案.  35-37
第3章空间电荷所致的动态电场计算  37-54
  3.1 空间电荷堆积  37-39
  3.2 空间电荷的动态电场.  39-52
    3.2.1 Green 函数法求解泊松方程  39-41
    3.2.2 单层Field Cage TPC 模型Green 函数.  41-44
    3.2.3 双层Field Cage TPC 模型Green 函数  44-45
    3.2.4 Green 函数法求解空间电荷的电场  45-51
    3.2.5 Maxwell 仿真空间电场.  51-52
  3.3 小结  52-54
第4章静态漂移电场改造及TPC 性能测试  54-71
  4.1 原TU-TPC 组装及性能测试  54-62
    4.1.1 TU-TPC 工作状态测试  55-57
    4.1.2 GEM-TPC 系统的数据预处理  57-59
    4.1.3 探测器性能分析  59-62
  4.2 电场改进方案及相关制作  62-64
  4.3 改进后TPC 原型机性能测试  64-65
  4.4 改进前后性能比较.  65-70
    4.4.1 空间分辨和Neff  66-69
    4.4.2 有效工作面积  69-70
  4.5 小结  70-71
第5章漂移电场对电子漂移的影响  71-83
  5.1 静态电场电子漂移仿真  72
  5.2 动态电场电子漂移计算  72-79
    5.2.1 电子漂移速度  72-74
    5.2.2 电子漂移解析计算  74-76
    5.2.3 计算可行性分析  76-79
  5.3 激光标定系统  79-81
  5.4 小结  81-83
第6章降低空间电荷的工作气体研究  83-90
  6.1 TPC 对工作气体的要求  83-85
  6.2 降低空间电荷堆积  85-87
    6.2.1 降低初始电离规模  85-86
    6.2.2 增大正离子漂移速度  86-87
  6.3 Ne 气混合气的其它性能  87-88
    6.3.1 电子漂移速度  87-88
    6.3.2 扩散系数  88
  6.4 小结  88-90
第7章结论  90-92
  7.1 总结  90-91
  7.2 不足和下一步工作  91-92
参考文献  92-95
致谢  95-96
附录A  96-98
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  98

TPC探测器漂移电场的模拟研究及改进

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