中微子物理及暗物质的寻找是近几年科学研究的热点，这种低本底高灵敏度的探测实验，需要高精度的反符合探测器来降低宇宙线本底。江门中微子实验^[1]作为低本底、高精度的实验，除了需要足够的屏蔽层来降低宇宙线本底，还需要在探测器周围建立能够探测本底的反符合探测器系统，进一步减少本底。在这种以低本底与高灵敏度为特点探测物理现象实验中，阻性板探测器(Resistive Plate Counter,RPC)是最佳的反符合探测器之一。

RPC探测器是由意大利的Santonico发明的一种平行板气体探测器^[2]，制作工艺简单，成本低，并且具有很好的时间和位置分辨性，特别适合大面积使用，已被广泛地应用于高能物理以及核物理实验，比如加速器实验和宇宙线的探测等。

早期的RPC多采用电木板作为高阻板电极材料，具有较低的体电阻率，约为10⁹Ω·cm，计数率高，但是表面粗糙、噪声大，需要采取措施对内表面进行处理，且容易受到环境温度、湿度和气压变化的影响^[3]。玻璃则具有优良的表面光洁度和平整度，体电阻率分布均匀，其制作成的RPC具有更小的漏电流和噪声，受环境因素影响小，探测器内部电场均匀，工作状态稳定。但体电阻率较高，普通玻璃的典型值约为10¹²Ω·cm，适合低计数率的环境下工作，而且普通玻璃制成的RPC又存在电极板易碎和容易被放电过程中产生的氢氟酸(HF)腐蚀^[4]的问题。

因此，在江门中微子实验中，提出使用高强度和耐酸碱玻璃制作的RPC作为反符合探测器来避免上述的问题，从而提高探测器的工作稳定性及寿命。本文利用宇宙线中μ子研究了钢化玻璃、大猩猩玻璃、肖特BF33玻璃制成的RPC在雪崩模式下的性能并给出了相应的测试结果。

钢化玻璃是一种预应力玻璃，在普通玻璃基础上采用物理或化学的方法来对强度加以提升，在抗风压、冲击性和寒暑性上都有所提高，不存在自爆问题。实验中所用的钢化玻璃为国产，且价格便宜。

大猩猩玻璃^[5]是美国康宁公司生产的一种环保型的铝硅钢化玻璃，常用于手机、平板等电子仪器的屏幕。大猩猩玻璃通过化学强化后，具有高应力值，兼具较好的化学稳定性。其次，卓越的防刮伤性使其表面平整度高。而且，根据需求可以制备0.4−2 mm之间任意厚度的玻璃。

肖特BF33玻璃(Borofloat33)^[6]是一种高品质硅硼玻璃，具有超高的化学稳定性——对水、强酸、强碱以及有机物的腐蚀具有很高的耐受性，优异的机械强度，出色的耐热性能。而且该种玻璃的含碱量低，是一种优良的电绝缘体，体电阻率高达约10¹⁵Ω·cm。表 1列出了这三种玻璃的特性。

表1(Table 1)

表1 三种玻璃特性Table 1 Properties of different glasses. 玻璃类型 Glass type 电阻率(25 °C) Resistivity / W·cm 标准尺寸 Standard size / cm2 厚度 Thickness / mm 特性 Attributes 钢化玻璃 Reinforced glass 6.1×1 014 1 244×1 092 0.7 高强度High strength 大猩猩玻璃 Gorilla glass 8.7×1 014 1 244×1 092 0.7 不易损、耐酸碱腐蚀 Damage resistance, acid and base resistance BF33玻璃 BF33 glass ~1 015 1 150×850 0.7 超高的化学稳定性、优异的机械强度 High chemical durability, excellent mechanical strength

表1 三种玻璃特性 Table 1 Properties of different glasses.

RPC是由两层高阻抗的平行电极板组成，中间通工作气体，在高压下产生均匀的电场。根据工作电压的大小和气体成分的不同，RPC的工作模式可分两种：雪崩模式和流光模式。当带电粒子与气体分子相互作用产生电子离子对，在电场作用下继而产生电子雪崩倍增过程，产生雪崩信号，如果满足某些条件，还会进一步形成流光信号。RPC工作在雪崩模式下时，输出信号较小，要经过前端电子学放大；若工作流光模式下时，则输出脉冲信号较大，不需要经过前放。

本实验采用的玻璃RPC的结构如图 1所示。所采用的玻璃厚度为0.7mm，长宽均为30cm，电极高压通过石墨涂层分布在玻璃外表面。两层玻璃板之间间隔2mm，为保持两极板不变形和电场的均匀性，在两层玻璃板间加入垫片。由于垫片会造成死区，所以数量不宜多，这里共放4个，间距为10cm。Mylar膜覆在石墨上，膜厚度为0.125mm，可耐13.5kV的击穿电压，起到绝缘作用。RPC产生的信号由读出条引出，读出条是由许多平行的细长铜条组成，每根铜条的尺寸为275mm(长)×30mm(宽)，他们以均匀的间隙贴在印制电路板上，相邻读出条之间的间隙为2.5mm，共有7条读出条。每一个读出条可以引出一路信号。

图 1(Fig.1)

图 1 玻璃RPC结构示意图 Fig.1 Schematic view of a glass RPC.

由于RPC的雪崩信号很小，外界的干扰很容易掩盖RPC的原始信号。因此，测试时在RPC外裹一层铝箔并接地，主要作用是电磁屏蔽和排除干扰。

为获得良好的稳定性，RPC的工作气体需要具有良好的粹灭性能。实验中选用HFC-134a、CO₂、SF₆的混合气体，比例为94.5%:5%:0.5%，工作在雪崩模式下。CO₂为多原子分子，易于吸收气体放大时产生的紫外光。SF₆为负电性气体，可以抑制流光信号的产生，使RPC工作在雪崩模式下。混合气体中加入少量SF₆可以提高计数率，但也同时提高了RPC所需要的工作电压^[7]。氟利昂也为负电性气体，主要作用一是作为低电离能气体，二是吸附电子，控制放电规模。

其次，由于气体最终要排放到大气中，且氟利昂的用量远超过另外两种气体，因此要考虑氟利昂对环境的影响。可供选择的氟利昂气体有四氟乙烯(HFC-134a)以及四氟丙烯(HFC-1234yf或HFC-1234ze)，尽管四氟丙烯对环境的影响最小，但是价格昂贵，考虑到成本，通常选择四氟乙烯气体。

图 2是实验装置以及通过宇宙线测试RPC性能的信号读出系统。实验采用双闪烁体探测器T1和T2上下放置，选择自上而下的宇宙线m子作为RPC触发信号。在雪崩模式下，探测器输出信号处于几到十几毫伏，要经过电荷前置放大器进行放大。实验中采用的前置放大器是放大正信号输出负信号，放大倍数约40倍。

图 2(Fig.2)

图2 宇宙线测试装置图 Fig.2 Cosmic ray test setup.

高压系统为RPC提供相同的正负高压和两个闪烁体探测器提供负高压。RPC的信号经过前置放大器后与闪烁体信号先通过甄别器使脉冲信号成型，再通过符合单元对RPC与闪烁体探测器信号之间做符合。而数据采集系统则是采用Scaler模块，采集的数据如下：闪烁体探测器的符合作为RPC触发信号，RPC与闪烁体探测器的符合作为RPC探测到的信号，单独的RPC输出作为噪声。

RPC的性能主要体现在三个方面：探测效率、单计数率以及暗电流。

探测效率是衡量RPC性能的主要指标，是指触发事例中被RPC记录的比例。RPC的效率随着电压而增加，当达到一定程度时，效率就不再随着电压的增加而改变，到达了一个坪区。图 3是钢化及大猩猩玻璃制成的RPC的效率曲线，图 4则是BF33的，且都已经过死区校正。

图 3(Fig.3)

图 3 钢化及大猩猩玻璃RPC效率曲线图 Fig.3 Efficiency for RPC made of strength and gorilla glass.

图 4(Fig.4)

图 4 BF33玻璃RPC效率曲线图 Fig.4 Efficiency for RPC made of BF33 glass.

从图 3中可以看出，钢化玻璃与大猩猩玻璃的起始电压相差400 V，前者在11.4kV到达坪区，效率为94%，而后者在12kV到达坪区，效率达92%，相比前者，到达坪区的电压要高出600V左右。由于大猩猩玻璃的电阻率要比钢化玻璃的高，RPC的气室要达到正常工作场强则需要更高的电压，因此大猩猩玻璃RPC的达坪电压要比钢化玻璃RPC高。

BF33的性能是在法国里昂核物理研究所(The Institute of Nuclear physics of Lyon,IPNL)测试所得。该玻璃RPC的气体室厚度为1.2mm，气体比例为R134A:CO₂:SF₆=93%:5%:2%，同样地工作在雪崩模式下。数据读出所用的前端电子学为HARDROC^[8]，效率如图 4所示。从图 4中看出，效率达91%，相比于前两块RPC、BF33的达坪电压较低，这是因为尽管BF33玻璃电阻率高，但气室厚度的减小导致较低电压下可以得到较高的场强。

高的电极板体电阻率会使RPC气室的正常工作场强降低，导致坪区效率的下降，因此在探测效率上，钢化玻璃RPC好于大猩猩玻璃和BF33玻璃RPC。

计数率定义为单位时间单位面积上的过阈信号计数，包括了由宇宙线m子产生的事例信号和RPC室本身放电产生的噪声，其中噪声的贡献占了大部分，因此计数率可以从侧面反映RPC的噪声水平。单计数率越小，说明探测器性能越好。高的体电阻率使气室场强降低，同样增加了探测的死时间，因此高的体电阻率能够得到较低的单计数率。图 5为RPC的单计数率随电压变化曲线图。可以看出，三种玻璃RPC的单计数率均处于较低的水平。

图 5(Fig.5)

图 5 单计数率随电压变化曲线 (a) 钢化玻璃，(b) 大猩猩玻璃，(c) BF33玻璃 Fig.5 Single counting rate as a function of high voltage. (a) Reinforced glass, (b) Gorilla glass, (c) BF33 glass

暗电流主要由正负电极之间的放电产生，图 6为RPC的暗电流随工作电压的变化曲线图。对比单计数率与暗电流曲线发现，暗电流是随着单计数率而增加。

图 6(Fig.6)

图 6 暗电流随电压变化曲线 (a) 钢化玻璃，(b) 大猩猩玻璃，(c) BF33玻璃 Fig.6 Dark current as a function of high voltage. (a) Reinforced glass, (b) Gorilla glass, (c) BF33 glass

采用化学强化后的玻璃制作RPC可以很好解决普通玻璃RPC易碎裂和易受腐蚀的问题，尤其是BF33玻璃表现得更为突出。通过其制成的玻璃RPC性能研究后发现，这三种探测器均具有良好的性能。由于其高电阻的特性，导致效率到达坪区需要较高的电压和造成坪区效率的下降，但是可以得到较低的单计数率和暗电流。这种高电阻玻璃制成的RPC特别适用于低本底的环境下工作，如江门中微子实验、锦屏暗物质探测实验等深地实验。