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1、本科毕业设计论文题 目 专业名称 学生姓名 指导教师 毕业时间 摘要气体探测器是在粒子物理、生物医学等基础科学和工农业生产及其他社会领域应用最广的核辐射探测器之一。近年来，出现了两类新型气体探测器MPGD与RPC或MRPC，代表了当今气体探测器的主要发展方向，也使开展这两类探测器的研制与性能研究具有重要科学意义和使用价值。本文由两部分组成，第一部分系统研究了强电场条件下，电子和正离子在混合气体中的漂移、扩散和电子雪崩规律;分析了MpGD的工作原理;研究了MGWC的制作方法和工艺;探索了用计算机辅助设计方法与相关专业软件相结合来设计MGWC并研究其性能的方法和步骤;自主设计，研制出了一种MGWC
2、;对所研制MGWC的主要物理参数进行了模拟计算，得出了计算公式;对所研制MGWC的部分性能进行了测试，得出了结论;提出了MGWC性能优化的方法和原则。论文第二部分从气体导电理论和统计物理学角度出发，结合实验结果研究了MRPC的微观物理机制，得出了结论;研制出了一种MRPC;建立了基于宇宙线望远镜系统的MRPC性能测试实验平台;对所研制MR卫C的性能进行了测试，结果表明对于己研制出的MRPC，其各项性能指标达到了国际先进水平。关键词：微间隙多丝正比室，多气隙阻性板室，计数率，位置分辨率，时间分辨率。AbstractGasdeteetorhasbeenoneofthemostwidelyusedr
3、adiationdeteetorsinbasieseieneesandmanysoeiald已veloPmentfields.Overthepastseveralyeartherehavebeentwonewkindsofgasdeteetors:MPGDandRPCorMRPCwhiehrePresentthedeveloPmenttrendofgasdeteetor.Thereforeit15verymeaningfultodeveloPMPGD&MRPCandstudyontheirPerformaneesbeeausethesetwokindsofgasdeteetorshavegre
4、atPotential.ThisPaperineludestwoseetions.ThefirstseetionhasstudiedonthelawsaboutdriftdiffusionofeleetronsandPositiveionsandeleetronieavalaneheunderhighelectricfieldinmixedgas.MeanwhilethemeehanismofMPGDandtheProeessofdeveloPingMGWChavebeenanalyZed.AndatthesametimesomefunetionsforealeulatingthePhysie
5、alParametersofMGWChasbeenaequired.BasedonthesituationofPrintcircuitteehnologyiChinaaProtoeofMGWChasbeeneonstrUeteandsomeofitsPerformanceshavealsobeentested.FinallyPrineiPlesandmethodsforimProvingthePerformaneesofMGWChavebeenPresented.AeeordingtothetheoryofGasConduetionandStatistiealPhysies，theseeond
6、seetionofthisPaperhasresearehedintothemicromeehanismofMRPCandreaehedeonelusion.AsystemfortestingthePerformancesofMRPCbyeosmierayshasbeenestablisheandtheMRPCseonstruetedbyushavebeenmeasuredtoo.TheresultsofmeasuredPerformaneesofMCshaveProvedthattheMRPCdeveloPedbyushashadadvaneedlevelintheworid.Keyword
7、s:Miero一GapWirChamber，Multi一GapResistivePlateChamber，Count一Rate，SPatialResolution，TimeResolution.绪论人类对物质世界认识不断深化及利用认识成果不断推动社会进步的历史是人类文明发展史的重要组成部分。在此发展过程中，各类探测器起了重要推动作用，特别是对微观世界的认识，粒子探测器更是起了至关重要的作用，因为人类正是借助不断更新的粒子探测器“看”到了我们肉眼所看不到的微观物质世界。例如早在1932年恰德威克就利用气体电离室探测了反冲质子，证实了中子的存在【，使人们对物质世界的认识范围从肉眼可见的宏观世界深入
8、到了微观世界的原子、原子核，现在更深入到了核子、夸克的层次;粒子探测器被应用到工农业生产、环境监测、生物医学及军事安全等领域也对社会进步起了重要推动作用。例如人们利用正电子断层照相技术和质子治疗仪，提高了对癌症病人的诊断准确率和治愈率。但与此同时，人类通过粒子探测器对微观世界认识的进一步深入和社会其他领域应用粒子探测器不断扩展的需求也对粒子探测器技术发展提出了更高要求，使粒子探测器也面临新的挑战，促使粒子探测器不断发展进步。例如现今物理界在寻找夸克一胶子等离子体和验证宇宙大爆炸理论时就要求粒子探测器的时间分辨率能好于几十Ps2，而目前粒子探测器在生物医学成像领域的应用也对粒子探测器提出了新的要
9、求，希望探测器的位置分辨率能达到pm量级甚至更好的同时，其计数率上限也能进一步提高3。依据粒子探测器工作介质不同，常用的粒子探测器主要有气体探测器、闪烁体探测器和半导体探测器等三种。其中气体探测器是历史上最早用于测量电离辐射的一类探测器l4，在核物理发展早期，曾是应用最广的探测器。20世纪50年代以后，随着闪烁体和半导体及其他新型探测器(如固体径迹探测器和热释光探测器等)的出现和发展，气体探测器才逐步被取代。20世纪60年代后期，法国人Charpak发明了多丝正比室M认甲e(Multi一wireProportionalehamber)，这种气体探测器具有粒子位置分辨能力，使气体探测器在高能物理
10、粒子实验中又获得新的应用，同时也被应用到其他社会领域，如生物医学成像和环境监测等领域。目前粒子探测器的主要发展方向有两个，一是进一步提高探测器时间分辨率，要求探测器的时间分辨率能从ms、ns量级达到Ps级;另一发展方向则是在进一步改善探测器位置分辨率的同时，使探测器也具有较高的计数率上限。20世纪80年代以后，伴随材料科学与计算机科学及印刷电路、微电子和机械夕工艺等技术的迅猛发展，各类粒子探测器得到长足发展。气体探测器在形式和结构上也发生了很大变化，出现了两类新型气体探测器:微单元结构气体探测器能及工作条件进行深入分析和研究。本人参加了RHIC一STAR合作项目，研制出了具有世界先进水平的MR
11、PC，并对其微观物理机制和工作性能等问题进行了仔细研究，得出了重要结果。本论文主要由两部分组成，第一部分探讨了一种新型MPGD一MGWC的研制和性能研究。作者根据国内现有印刷电路技术和工艺，结合计算机辅助设计方法，自主设计、研制出了一种MGWC，对其部分性能进行了测试，提出了优化MGWC性能的方法和原则。在此过程中，作者仔细研究了MPGD内部的物理机制;分析了MGWC制作方法和工艺;探索了用计算机辅助设计方法与相关专业软件(电磁场与粒子输运模拟计算软件，如ANsysll6、FLUKA17等)相结合来设计、研究MGWC的方法和步骤;深入研究了强电场条件下，电子和正离子在混合气体中的漂移、扩散及电
12、子雪崩规律;对所研制MGWC的主要物理参数:探测单元静电场分布、阳极丝表面电荷分布、丝张力、气体放大倍数、电子和离子漂移速度及漂移时间等进行了模拟计算，得出了计算公式。论文第二部分从气体导电理论和统计物理学角度出发、结合实验结果系统研究了MRPC的微观物理机制;对自己所研制MRPC的主要性能:暗电流、噪声、探测效率、小幅度脉冲比例及时间分辨率等进行了测试，结果表明各项指标达都到了国际先进水平。此外论文第二部分也初步研究了环境温度对MR卫C暗电流和噪声的影响。论文共分五章。第一章介绍了气体探测器的概况，如气体探测器的种类、应用及常规气体探测器的主要性能，在分析MPGD工作原理基础上，提出了所研制
13、MGWC的总体设计方案;第二章结合计算机辅助设计方法，利用相关专业的计算软件计算和分析了所设计MGWC的主要物理参数;第三章对所研制MGWC的部分性能进行了测试，分析了测试结果，提出了优化MGWC性能的方法和原则;第四章阐述了MRPC的结构和制作，研究了其微观工作机制;第五章详细描述了MRPC的性能测试系统及数据处理方法，测试了所研制MRPC的性能，对结果进行了分析，得出了结论。第一章MG、VC总体结构设计1.1气体探测器概况气体探测器是人类历史上应用最悠久的核辐射探测器。早在1898年，居里夫妇在发现和提取放射性同位素镭和针时，就利用“气体电离室”检测了化学分离物中的各项产物。迄今气体探测器
14、已有一百多年历史。尽管后来又出现了其他类型探测器，如半导体和闪烁体探测器等，但气体探测器所特有的优点，如制作工艺简单、性能可靠、成本低廉、使用方便及环境适应性强等，使其现在仍是粒子物理实验、工农业生产、环境监测、生物医学、地质勘探及军事安全等领域应用最广的粒子探测器之一。1.1.1气体探测器基本结构、工作原理及分类气体探测器是以工作气体(既可以是纯气体，也可以是混合气体)作为探测介质，利用电极收集入射粒子在气体中产生的电离电荷来探测粒子，并获取粒子能量、时间及强度等信息的118。尽管气体探测器的形式和结构多种多样，但几乎所有的气体探测器都是利用电极来收集电离电荷的，因此各种气体探测器在结构有共
15、同之处，即它们通常都是由高压电极和收集电极所组成。气体探测器常见的结构有平板型和同轴圆柱型两种，如图1.1所示。图中a为同轴圆柱型结构，它由两个直径不同的同轴金属圆筒(其中直径较小的圆筒也可以是丝状、球状或其他形式)构成;图中b为平板型结构，它由两个平行电极板构成。气体探测器的两个电极都由绝缘体隔开，并被密封于容器内，电极间充工作气体并外加一定的电压。入射粒子使电极间的气体电离，生成的电子和正离子在电场作用下漂移，最后被收集到电极上。在电子和正离子漂移过程中，由于静电感应，电极上将感生电荷，并且随它们的漂移而变化，于是在输出回路中会形成感应电流，收集的电子一离子对数目决定了电流的大小。气体探测器正是利用此特性实现了探测粒子的功能。气体探测器的结构、形状及所充工作气体繁多，功能也多种多样，因此分类方法也各不相同，但通常情况下，根据高压电极外加电压(又称工作电压)不同，气体探测器基本可分为电离室、正比室(又称正比气体探测器
