南华大学承担-中俄重离子同步加速器(NICA)大科学装置取得阶段性成果

量能器是当代高能物理实验中必备的探测器之一，它被安装在大型离子对撞机的对撞点周围，用以探测重离子对撞后产生的高能电子，光子和强子的各种信息。根据探测粒子种类的不同，量能器可以分为电磁量能器和强子量能器，其中，电磁量能器是根据高能电子在介质中会产生簇射的特性而发展来的。目前，在俄罗斯境内的在建的大型科学装置—基于超导粒子加速器的重离子对撞机(NICA)，其中的多功能探测器MPD/Ecal新型电磁量能器的研制项目是中俄双方在国家一带一路框架下的重大国际间科技合作项目课题，该课题是由清华大学牵头，山东大学，复旦大学和南华大学共同合作完成。

必赢线路检测中心王晓冬教授课题组承担并完成了此课题中的任务。研制完成了任务中1232个塔、77个电磁量能器模块的研制；同时又进行了量能器模块的模拟和实验工作，从理论上验证了量能器的物理性能，得到了该电磁量能器的优化方案，南华大学课题组已取得系列研究成果，共发表文章4篇，其中2篇卓越期刊，2篇SCI领域权威期刊。

一、该论文使用蒙特卡洛程序确定了量能器单元的吸收材料为铅片；通过对量能器尺寸的模拟，确定了量能器单元的横截面积为4 mm×4 mm、铅片材料厚度为0.3 mm、闪烁体材料厚度为1.5 mm、量能器单元总层数为220层、总长度为12个辐射长度(415 mm)；验证了其能量分辨率可好于5%，如图1所示。

详见(曾德凯,彭肖宇,魏鑫,程凯,季选韬,朱坤,屈国普,胡创业,王晓冬*.应用于NICA-MPD的Shashlik取样型电磁量能器性能模拟[J].核技术,2021,44(08):18-28.)

图1 Shashlik取样型电磁量能器尺寸参数选择

二、该论文找到了Shashlik取样型电磁量能器最有利于光子传输的材料，完善了其光子传输的优化方案；该论文通过Geant4软件，找出了二氧化钛涂料最适合作为量能器tower的反射材料，Y-11型波长位移光纤最适合作为光子传输的材料；在对材料的处理上，二氧化钛涂料和光纤端面应该采取抛光处理，铅片表面应采取粗糙化处理，光纤的弯折曲率半径大于11 cm，以增加tower的光输出，如图2所示。

详见(Peng X, Zhu K, Ji X, Xiao M, Luo F, Huang Y, Zhu J, Xiao W, Luo S, Liu Y, He L, Wang X*.Simulation study on photon generation and collection of tower applied to NICA-MPD electromagnetic calorimeter[J]. Journal of Instrumentation, 2022, 17(01) (1)10.1088/1748-0221/17/01/T01004)

图2 Shashlik tower光传输材料的选择以及优化

三、该论文对Shashlik tower整体的光子传输进行了评估，并通过研究不同数量的光电子数，利用宇宙射线计算出了量能器模块的时间分辨率；该论文使用3 GeV的电子作为入射粒子，得出了tower的光输出为0.16%；利用宇宙射线缪子源，对量能器模块整体的时间分辨率进行了计算，得出了量能器模块整体的时间分辨率能好于160 ps，且随着输出的光电子数量增加，时间分辨率还可进一步提升，如图3所示。

详见(Peng X, Zhu J, He L, Xiao W, Luo F, Xiao M, Wang X*.Simulation study on optical transmission performance and time resolution of Shashlik tower[J]. Journal of Instrumentation, 2023, 18(02) (1)10.1088/1748-0221/18/02/P02018)

图3 Shashlik tower光子传输以及时间分辨率的研究

四、该论文对量能器tower和量能器模块进行了研制，完成了南华大学所承担的77个模块的制作和加工任务；该论文总结了电磁量能器tower和量能器模块的制作工艺和参数。筛选闪烁体片和铅片进行堆叠和加压，利用剥线机对波长位移光纤进行剪切，对制作好的半成品tower以及光纤的端面进行反射层涂抹和点胶工作，将16根光纤贯穿地插入tower中预留的16个小孔中，并使用铝板进行集束固定，对固定住的端面再进行打磨处理，最终制作成量能器模块的成品。整个过程如图4所示。

详见(祝锦，彭肖宇，肖万成， 何列，刘雨辰，肖敏，王晓冬*. NICA/MPD中电磁量能器模块性能的Geant4模拟研究.核技术已录用)

图4量能器tower和量能器模块的研制过程

目前，该课题组已经完成了全部任务，并将制作好的77个量能器模块寄往了俄罗斯。如图5所示。

图5 NICA/MPD新型电磁量能器关键技术合作项目交付仪式

重离子超导同步加速器(NICA)上的关键技术合作研究的中期检查会议已于2023年3月3日在武汉华中师范大学举行。该会议上，清华大学的王义教授代表课题一就MPD/Ecal新型电磁量能器的研制项目进行了中期报告，并获得了在场专家的一致认可。图6为中期检查会议现场。

图6重离子超导同步加速器(NICA)上的关键技术合作研究的中期检查会议

研究工作得到了国家科技部基金项目（2020YFE0202001），国家自然科学基金项目（资助号：12275120），湖南省青年科技创新人才基金项目（2022RC1202），湖南省自然科学优青项目（2021JJ20006）的资助。