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Abstract

The application of multi-gap resistive plate chambers (MRPC) for time-of-flight (TOF) measurements in future high-rate heavy-ion-collision experiments like CBM (Compressed Baryonic Matter) at FAIR is constrained by both challenging particle-flux and multi-hit conditions on the counter surface. Towards the center of the 120 m² TOF wall of CBM, fluxes of up to 25 kHz/cm² in gold-on-gold collisions at 10 MHz and 11 A GeV (SIS100) are handled by detectors with special low-resistive glass. At the periphery, common-glass counters are used for cost reasons. In this work, test-beam results for corresponding prototypes obtained in a multi-hit environment under moderate particle fluxes of 1–2 kHz/cm² at CERN/SPS are systematically analyzed for rate and interference effects on counter performance. For a reproduction in simulations, a novel parametrization of the MRPC response function is introduced which models both the impact of sustained irradiation on detection capability in time and the distortion of reconstructed hits by interfering induced signals. An envisaged qualitative agreement is achieved between real and simulated observations. While only the common-glass counter shows an expected performance degradation due to rate, the response evaluation of both prototypes via correlations on adjacent detectors is significantly complicated by multi-hit effects. The new response model provides a reliable simulation reference for further investigations on this matter.

Translation of abstract (German)

Der Einsatz von MRPC-Detektoren (Multi-gap Resistive Plate Chamber) für Flugzeitmessungen (TOF) an zukünftigen Hochratenexperimenten mit Schwerionenkollisionen wie CBM (Compressed Baryonic Matter) bei FAIR wird sowohl durch anspruchsvolle Teilchenfluss- als auch Mehrfachtrefferbedingungen auf der Zähleroberfläche eingeschränkt. Zur Mitte der 120 m² großen TOF-Wand von CBM hin werden bei Kollisionen von Goldkernen mit 10 MHz und 11 A GeV (SIS100) Flüsse von bis zu 25 kHz/cm² durch Detektoren mit niederohmigem Spezialglas verarbeitet. Im Randbereich finden aus Kostengründen Zähler mit Normalglas Verwendung. In dieser Arbeit werden Ergebnisse aus einer Teststrahlzeit für entsprechende Prototypen, die in einer Mehrfachtrefferumgebung bei moderaten Teilchenflüssen von 1–2 kHz/cm² am CERN/SPS gewonnen wurden, systematisch auf Raten- und Interferenzeffekte auf die Zählerleistung untersucht. Zur Beschreibung in Simulationen wird eine neuartige Parametrisierung der Antwortfunktion von MRPCs eingeführt, die sowohl den Einfluss einer anhaltenden Bestrahlung auf das Detektionsvermögen in der Zeit als auch die Verzerrung rekonstruierter Treffer durch interferierende induzierte Signale modelliert. Damit wird eine beabsichtigte qualitative Übereinstimmung zwischen realen und simulierten Beobachtungen erzielt. Während lediglich der Normalglaszähler eine erwartete ratenbedingte Leistungsminderung aufweist, wird die Auswertung der Reaktion beider Prototypen mittels Korrelationen auf benachbarten Detektoren durch Mehrfachtreffereffekte beträchtlich erschwert. Das neue Reaktionsmodell bietet eine verlässliche Simulationsreferenz für weitere diesbezügliche Untersuchungen.