TGC探测器的研制
编辑:管理员     发布时间: 2017-11-17

认识物质世界的微观结构,以及其运动规律是人类认识自然的的一个重要内容,也是诸多宏观科学领域的研究基础。粒子物理学观察微观世界结构的方法则是通过粒子对撞机和高能宇宙线等实验。描述微观物质的物理理论(标准模型)获得了巨大成功,许多预言都得到了实验的证实。但是它所预言的黑格斯(Higgs)粒子至今还没有在实验中找到,另外,也有一些实验事实超出了标准模型的预言。

LHCLargeHadron Collider)是在位于瑞士日内瓦的CERNConseil Europeen pou la RecherheNucleaire,欧洲核子物理研究中心)建造并在2009年开始运行的大型强子对撞机,其设计质子-质子对撞的质心能量达到14TeV,对撞粒子束流亮度高达。它是世界上能量最高的粒子对撞机,主要目标是在高能区内寻找黑格斯粒子,同时也为粒子物理的其他研究课题提供了平台。


图1:LHC(大型强子对撞机),周长27公里,位于地下100米的瑞士和法国边界处,将质子加速到光速的99.99999%,进行质心能量14TeV的质子和质子对撞。


2:加速器内部照片


ATLASAToroidal LHC ApparatuS)是建在LHC其中一个对撞点上的大型多用途粒子探测器。寻找黑格斯粒子是ATLAS的最主要的目的,同时它也将用来寻找较重的类WZ玻色子、超对称粒子,研究基本费米子的结构以及B衰变中的CP破坏等当今最急需解决的物理问题。


3ATLAS实验,位于地下100米,在LHC对撞机的其中一个质子-质子对撞点上。


ATLAS合作项目吸引了国际高能物理界的极大兴趣。目前ATLAS实验合作组包括34个国家(地区)、150多个单位(大学、研究院所),有2000多位科学家参加。参加国家中包括德、英、法、意、瑞士、瑞典、希腊、美、俄、日、加拿大、以色列、中国等当今世界上最重要的科技和经济大国。


山东大学、南京大学和中国科学技术大学,自1994年起就开始与ATLAS合作组进行了民间接触与交流。19986月高能所和大学组一起以中国联合组名义向ATLAS合作大组表示要求参加ATLAS国际合作的意向。19989月在ATLAS全体会议上中国联合组无异议接纳为ATLAS合作组的正式成员; 199812月,ATLAS国际合作项目通过国家自然科学基金委组织的专家评审; 199911月,基金委与CERN正式签订中国联合组参加ATLAS合作组的谅解备忘录。 20006月项目获得批准并正式启动,基金委将其列为国际合作重大项目予以支持, 项目的名称为“ATLAS部分探测器和器件研究”。中国组加入之际,ATLAS实验还处于建设和准备阶段。根据国际合作惯例,各参加单位必须在探测器和基础软件方面做出一定的贡献,才能取得今后参与和共享研究成果的权利。


ATLAS实验的设计集中体现了当前高能物理探测器发展的趋势, 它不仅是有史以来规模最大的谱仪探测器,而且各子探测系统在同类型中也是最高水平的。ATLAS探测器主要由内部径迹探测器,量能器和μ子谱仪组成。其中μ子谱仪用来辨认μ子和测量它们的动量。μ子是可探测的穿透力最强的粒子,量能器挡住了其他粒子,因而μ子的测量最为纯净,效率也最高,因此在实验中倍受重视。山东大学物理学院高能物理研究室承担了m子探测器系统中TGC(窄隙室)探测器的研制与生产的任务,这是整个实验中非常重要的组成部分。这一任务不仅是ATLAS合作组所急需,而且 由于项目的技术含量高,有利于发展我国粒子物理探测器的水平,有利于提高中国在ATLAS合作中的地位。


4ATLAS实验探测器结构示意图,山大所研制的TGC探测器位于该桶形实验装置的两个桶盖部分


TGC是一种新型的μ子探测器,每个探测器厚43.2毫米,面积2平方米,处在ATLAS探测器的端盖部分。TGC探测器具有很好的时间分辨率(<25ns ),和很强的抗辐射损伤能力,可以在ATLAS实验的高本底和强辐射的环境下工作,为ATLAS实验提供μ子触发信号和方位角坐标。


6TGC探测器的横截面图和外观图(1.2*1.7米)


TGC的研制涉及到许多先进技术的应用。山东大学立足于国内技术条件,并广泛开展国际、国内合作,建立了集研制和生产于一体、设施完善的TGC探测器专用实验室。在研制和生产过程中,通过强化工艺研究,制定严格的工艺流程,切实加强质量控制,按时完成了400TGC探测器的研制与生产任务。所有探测器通过探测效率扫描和高流强辐照检测,结果表明所有探测器各方面的性能明显好于设计要求的质量标准,其中最重要的性能指标:探测器的“非灵敏区域”都低于1%(规定的质量标准是5%)。

7:山东大学TGC实验室内部,探测器研制照片

8TGC探测器实验室内部,探测器测试装置

92004年,丁肇中先生参观山东大学TGC实验室


2005年,山东大学所研发的TGC探测器,运到瑞士日内瓦的欧洲核子中心,山东大学派出技术人员将探测器安装到ATLAS实验中,并进行了探测器和相关设备的联合测试和刻度,完成了μ子测量的相关测试。



10TGC探测器在ATLAS实验井内的安装

11:安装完毕后的TGC探测器组成的直径约40米的圆盘


 


2008年该项目全部完成。这是我国科技工作者首次在大型国际合作中以提供批量高性能探测器的方式,作出了高显示度贡献。山东大学生产的探测器的主要性能指标明显好于设计要求,探测效率明显优于国外其它实验室制作的同类探测器,达到了国际先进水平,得到了ATLAS合作组的高度赞誉,提高了我国科学家在国际合作中的地位。目前ATLAS实验已运行一年多,山东大学提供的TGC探测器在实验现场经受住了严峻考验。质量是最好的。400台探测器无一损坏。而某些发达国家所承担提供的同类探测器,损坏(或不良)率竟达20%左右。表明我们研制的探测器性能稳定,抗辐射的能力最强,也表明制作中的每一环节都是科学的和可靠的。这使我们感到自豪。


本项目首次在我国开展TGC探测器的研制和批量生产,对于我国探测器技术的发展具有重要意义。在TGC研制过程中其相关工作原理、制作与测试技术,涉及许多先进科技的应用,技术含量很高。对我国新型探测器的研制和应用起到了拉动作用。项目实施过程中,通过跟踪该领域国际上最先进的技术和方法,在探测器制作工艺方面取得了许多宝贵经验,有利于对该类探测器的进一步改进与开发的研究,取得更好的推广应用前景。


山东大学通过承担该项研究,建立了设备齐全的气体探测器专用实验室。拥有高精度平台、超净室、大型精密绕线机、各种辅助设施与探测器基本性能检测等关键设备。培养了一支具有较高水平的粒子探测技术的技术队伍。本项目培养了三名博士生和一名硕士生,他们都分配在国内外重点大学或科研单位工作。参加本项目的青年教师,现已成为教学和科研骨干。由于实验条件的大幅度改善和人员水平的提高,拓宽了研究工作的领域和提高了研究工作水平,有力推动了本学科建设工作的发展。项目结束后不久,2011年教育部批准了以原TGC专用实验室为主要基础,整合山东大学物理学院有关力量而建立的“粒子物理与粒子辐照”实验室为教育部重点实验室。这将使研究水平和研究潜力进一步提高和加强。