深地下粒子物理实验的RPC反符合探测器研究

Aiming at precise measurement, the particle physics experiments for detecting rare events want to be deployed in deep underground halls and to adopt the anti-coincidence detector for cosmic-rays, in order to suppress the background from cosmic-rays. RPC (Resistive Plate Chamber) is a very important candidate for this kind of demand. It's the first time that Daya Bay Neutrino Experiment has adopted RPC for its anti-coincidence detector system. Based on the lessons from Daya Bay Neutrino Experiment and the needs of Jiangmen Neutrino Experiment，this program will study the basic physics problems on underground cosmic-ray detectors made of RPCs. 1) The parameters(the number of layers, layout of RPC bare chambers in a module, readout logics) about a RPC module will be studied optimally to obtain a RPC module with high efficiency，high Signal-Noise-Ratio and precise efficiency calibration; 2) Overlap among modules and the orientation of a module will be investigated to increase the RPC system efficiency;3)Studying the change of RPC system efficiency with one or more layers not working helps improve the long-term stability during design;4)At hardware level, reducing the noise rate and leak current at high humid environment will satisfy the requirement of higher Signal-Noise-Ratio and the operation at high humid environment. Finally, by comparison between simulation and test of single module, an optimal design of RPC-Based anti-coincidence detector for cosmic-rays will be developed to support the particle physics experiment in deep underground halls.

研究稀有事例的粒子物理实验需在深地下进行并采用具有极高探测效率和信噪比的宇宙线反符合探测器来降低宇宙线本底实现精确测量。阻性板室（RPC）效率高、噪声低、价格便宜和对光子不敏感，是重要的探测技术。大亚湾中微子实验首次使用RPC建成反符合探测器。在它运行改进的基础上，本项目以江门中微子实验为背景，研究地下宇宙线RPC反符合探测器设计的基本物理问题：1）优化设计探测器模块内RPC层数、RPC布局及读出逻辑来提高RPC模块的探测效率和信噪比，并实现层效率的精确刻度；2）模拟优化模块间重叠及朝向，提高RPC反符合系统的探测效率；3）研究某几层RPC不工作时的RPC系统效率的变化，并用以优化设计提高长期稳定性；4）通过研究降低噪声率和高湿度环境对漏电流的影响，以更好地适应我国未来地下粒子物理实验的环境。最终，通过单模块测试与模拟优化结果的比较来完善设计方法，以更广泛地服务于深地下粒子物理实验。

本项目基于RPC在大亚湾中微子实验反符合探测系统设计中的应用经验，结合更深地下粒子物理实验宇宙线流强更低的特点，对其RPC反符合探测器做了进一步的研究。.（1）以江门深地下中微子实验为研究背景，进行了RPC反符合探测器模块的设计。分析了RPC模块在不同触发逻辑下的μ子探测效率、信噪比、层效率刻度偏差等参数，得到按照8选6方案，探测效率可达99.42%，偶然符合计数率和层效率刻度误差小于10^-7，在性能（特别是层效率刻度的误差）和可靠性上有了显著的提高。.（2）基于快中子本底研究等对μ子径迹重建的需要，在8选6的触发逻辑下研究了阵列间距及读出条宽对μ子径迹重建精度的影响。最后结合实验大厅的布局、离线刻度、阵列间距限制等工程实际因素，得出当RPC层阵列间距在2.4米（1.0米）时，模块每层16（32）个读出条可以满足要求。.（3）使用更高表面光泽度（高于800）的压制钢板对降低噪声率有一定效果。而增加树脂的流动性、增加树脂亲油性暂时没有明显效果，还需要后续进一步试验。RPC的探测效率优于95%、噪声率低于1000 Hz/m^2，可以达到（1）中的模块设计指标。绝缘硅胶有助于可以降低暗电流对湿度的敏感性。.（4）为了解决氟利昂的大量存在会加速RPC老化问题以及其较强的温室效应问题，通过实验研究探索了利用CO2来完全替代氟利昂的可行性。实验结果给出，对于无氟利昂的工作气体，RPC效率坪不稳定波动较大。造成这种现象的原因除了统计误差的因素外，最主要的原因跟气体的猝灭能力低有关。.对于研究稀有实例的粒子物理实验，为了降低本底信号提高信噪比，实验厅往往需安装在地下运行，并且探测器面积极大，而RPC具有探测效率高、机械结构简单、单位造价低以及易于大面积应用的优点。所以，本项目RPC反符合探测器的研究对这类粒子物理实验可以提供更好的技术支撑，具有较好的应用前景。