【摘 要】
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基于粒子加速器的高能物理实验是研究比强子更深层次的微观世界中物质的性质和相互作用规律最有效的手段之一,带电粒子径迹测量能够获得关于粒子的运动轨迹、相互作用顶点、能量和动量等关键信息,是高能物理实验中极其重要的组成部分。随着未来粒子加速器向着更高能量、更高亮度的方向发展,高能物理实验对径迹探测的精度和可靠性提出了更高的要求。气体探测器和半导体探测器分别作为径迹探测中最主要的和空间分辨最高的探测器,由
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基于粒子加速器的高能物理实验是研究比强子更深层次的微观世界中物质的性质和相互作用规律最有效的手段之一,带电粒子径迹测量能够获得关于粒子的运动轨迹、相互作用顶点、能量和动量等关键信息,是高能物理实验中极其重要的组成部分。随着未来粒子加速器向着更高能量、更高亮度的方向发展,高能物理实验对径迹探测的精度和可靠性提出了更高的要求。气体探测器和半导体探测器分别作为径迹探测中最主要的和空间分辨最高的探测器,由于各自工作原理和特性的限制,使得它们在未来高精度带电粒子径迹探测需求中面临着一些挑战,其中最主要的是气体探测器在精度提升上的限制和半导体探测器存在严重的辐射损伤效应。针对当前高能物理实验对带电粒子径迹探测的高精度和高抗辐射要求,论文提出将气体探测器与能直接收集电荷的硅像素探测器相结合的新的径迹探测方案,既能利用硅像素探测器在高空间分辨率上的优势,又能避免入射带电粒子对硅像素探测器的直接辐射损伤。在该方案的基础上,论文还提出了通过重离子径迹测量对单粒子效应进行定位检测的新方案,并且利用Topmetal-Ⅱ-硅像素芯片在气体探测器中对高能重离子和低能光电子的径迹进行了高精度探测,实现了单粒子效应定位检测的原理验证和X射线偏振的测量。论文的具体研究内容及创新点如下:1.开展了对Topmetal-Ⅱ-芯片的性能研究。对芯片不同像素的衰减时间随外部配置电压的变化,以及对像素的衰减时间和输出幅度的一致性和线性度进行了测试,给出了像素衰减时间和响应幅度分布的期望值和标准差,并对由电荷灵敏放大器（CSA）两端的反馈电阻和反馈电容的差异性导致的像素衰减时间常数的不一致性进行了测试。使用60Co放射源对像素芯片进行了电离辐射总剂量测试,测试表明芯片能够满足100 Gy的γ射线电离辐射总剂量要求。使用在Si中线性能量转移（LET）为18.5 MeV/（mg/cm2）的Kr离子微束对芯片进行了重离子辐照测试,测试结果表明芯片有较强的抗单粒子效应能力,并且证明了像素内部不同部位的晶体管对重离子辐照的敏感度不同。测试内容对于提高该像素芯片的径迹探测精度和抗辐射性具有重要的指导作用。2.开展了对高精度带电粒子径迹探测的仿真研究。开发了重离子径迹仿真程序,并以Kr离子和Topmetal-Ⅱ-芯片为仿真对象,在Ar:CO2的混合气体中对气体比例、电场强度、粒子入射高度和能量、像素间距等与带电粒子径迹探测精度相关的因素进行了仿真研究。仿真结果表明,径迹的扩散越大,定位精度越低;重离子的平均能量损失越多,定位精度越高;减小像素间距和增加信噪比能够明显提高径迹探测精度。该仿真研究为高精度带电粒子径迹探测实验条件的制定和优化提供了有价值的参考依据。3.开展了基于Topmetal-Ⅱ-芯片的单粒子效应定位检测研究。在论文所提方案的基础上提出了新的单粒子效应定位检测方案,并且使用Topmetal-Ⅱ-作为定位芯片制作了原理样机,在HIRFL束流实验终端上对能量为2.15 GeV,截面面积为5.29 cm2的Kr离子束流进行了定位实验。实验得到的Kr离子位置测量精度达到4.0±1.48 μm,角度测量精度达到0.17±0.063°,验证了单粒子效应定位检测方案的可行性。4.开展了基于Topmetal-Ⅱ-芯片的X射线偏振测量研究。论文将Topmetal-Ⅱ-芯片分别与厚型气体电子倍增器（THGEM）和气体倍增微通道板（GMCP）结合,对4.35 keV、4.5 keV和5.9 keV X射线的偏振进行了测量,在不同实验条件下得到了高分辨率的光电子径迹和相应射线的偏振调制因子。实验结果表明,使用GMCP得到的光电子径迹的质量比THGEM得到的更好,更利于初始方向的重建,同时也表明GMCP的结构和倍增电压、气体的种类和径迹重建算法对X射线偏振测量的精度有很大的影响,为后续提高光电子径迹探测精度和偏振探测的灵敏度提供了重要的指导作用。论文研究的带电粒子径迹探测方案与传统的气体探测器和半导体探测器方案相比,在保持高精度的同时避免了对硅像素探测器的直接辐射损伤,能够极大的增加探测器的使用寿命和带电粒子的测量范围。同时,该方案为单粒子效应定位检测和X射线偏振测量等依赖高精度带电粒子径迹探测的应用提供了性能优异的探测技术,具有重要的研究价值和广阔的应用前景。
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