（粒子物理与原子核物理专业论文）北京正负电子对撞机重大改造工程bepcii的亮度监测.pdf

摘筮 摘要 北京正负电子对撞机垂人改造f ：群( b e i j i n ge l e c t r o n p o s i t r o nc o l l i d e ru p g r a d e ， b e p c i i ) 开始i - 2 0 0 4 年。升级后的b e p c i i 将是一个多水团高亮度的双环对撞机，其设计的 峰值亮度为1 0 。c m2 s 1 8 9 g e v ，是原米b e p c 的1 0 0 倍。逐术团亮度的监测是对撞机调试束流 的重要手段，国外已经有一些对撞机上实现了亮度的逐束团监测，比如s l a c 的p e p i i 对撞机， 意人利的d a p h n e 对撞机。这些对撞机上的逐求团亮度监测对它们亮度的提高都做出了重要的 贡献。b e p c i i 亮度监测器( b e p c i il u m i n o s i t ym o n i t o r ，b l m ) 研制成功为运行调试多束团 的、高亮度的b e p c ii 提供了一个有效、可靠的监测j r = 具。运行两年多米，一直是b e p c i i “诊 断”、调试束流状态不可缺少的重要手段，为b e p c i i 亮度提高已经做出重人贡献，而且还将 为b e p c i i 的亮度达标继续做山贡献。 要实现逐束团亮度监测，所探测的物理过程必须有足够高的事例率。冈此我们决定探测 零角度区单轫致辐射过程的末态光子，该过程的反应截面人，肘孔径仅为儿个毫弧度的探测 器就足以收集到反应产生的几乎全部光子。由于b e p c i i 的目标是实现4 n s 的束团间隔，这对 b l m 的时间分辨提出了较高要求。为此我们采用了时间响应怏的切伦科夫探测器。因b l m 在对 撞区附近，辐照剂量较高，我们采刖了具有良好抗辐照性能的熔融石英作为切伦科夫辐射体。 由伽玛转换体、熔融石英和光电倍增管r 7 4 0 0 u 组合成的测量单轫制辐射光子的切伦科大计数 器具有抗辐照、高效率和快时间响应的特性。宇宙线刻度给出。对最小电离粒子m u o n 的效率 好于9 8 。，时间分辨好于0 4 n s 。 2 0 0 7 年，b l m 安装调试成功，首次在b e p c 上实现了逐柬团对撞的相对亮度监测。得到了 精度为o 8 的相对亮度。 加速器专家2 0 0 8 年根据b l m 提供的逐束团的相对亮度的显示，“诊断”并排除了正电子 环的故障，从而将亮度提高了5 0 以上，为b e p c i i 通过国家验收作出了贡献( 在由国家发改 委组织的“b e p c i i 和b e s i i i 二 程”国家验收的b e p c i i 总结报告中两处引用了b l m 的数据) 借助于b l m 逐束团的相对亮度实时( 2 秒更新一次相对亮度值) 监测，加速器研究人员可 以实时地凋试束团的各种参数，为最佳运行参数的设定提供重要的指示。 通过改变束流在i p 的交叠科度，我们可以利用b l m 测量加速器的一些重要参数，如束团 尺寸。通过改变e 一的束流轨道，同时观测e 边b l m 的计数，我f j 测得了束斑的水平平垂直方 向的尺寸分别为： s 矿= s l ：= 0 3 5 6 m m sn e + 制婶= 0 0 1 l m m x ex e ，oj o 为了使亮度监测器稳定运行，我们设计研制了亮度监测器稳定性监测系统，对稳定性监 测系统的关键部件，即光纤做了辐照测试，详细测量了它们的辐照损伤和恢复特性，选定了 满足实验环境需要的耐辐射光纤。 i 摘要 通过对b e s i i i 谱仪端盖量能器( e e m c ) 的b h a b h a 过程的分析，获得了运行在v ( 3 7 7 0 ) 的绝对亮度，并刚它对b l m 做了刻度。结果显示，在1 l r ( 3 7 7 0 ) 共振能量，e e m c 所得亮度与 b l m 的计数率之比稳定，刻度参数为o 8 4 o 0 3 ( 1 0 拍c m 2 c o u n t ) 。 通过对桶部电磁量能器( 8 e m c ) 双光子产生事例的分析，获得运行在l l ，( 3 7 7 0 ) 的绝对 亮度，并刖它对b l m 做了刻度，刻度参数o 8 3 0 0 7 ( 1 0 孙c m2 c o u n t ) ，与川端盖b h a b h a 测得的比值一致。 经过二年多的运行，证明b l m 达到了设计要求，b l m 被b e p c i i 加速器专家评价为“在b e p c i i 亮度提高中发挥了重要作用”，并与b e p c i i 一起t2 0 0 9 年7 月正式通过了国家验收。 关键字：亮度，亮度监测器，截面，量能器，b h a b h a 散射，双光子产生事例 a b s t r a c t a b s t r a c t b e i j i n ge l e c t r o np o s i t r o nc o l l i d e r ( b e p c ) h a sb e e nu p g r a d e df r o mb e p ct ob e p c i i s i n c e s u c hn e wt e c h n o l o g i e sa st w or i n g s ，m u l t i - b u n c ha r ee m p l o y e d ，t h et a r g e tl u m i n o s i t yi ss e tt oa r o u n d 10 3 3 ( c m 2s 。1 ) 1 8 9g e vw h i c hi s10 0t i m e sm o r et h a nb e p c b u n c hb yb u n c hl u m i n o s i t y m o n i t o r i n gw i l lp r o v i d ea ni m p o r t a n ti n s t r u m e n tf o rb e a mt u n i n g s o m ef o r e i g nc o l l i d e r ss u c ha s p e p i ia ts l a ca n dd a p h n ei ni t a l yh a v ea l r e a d yr e a l i z e db u n c hb yb u n c hl u m i n o s i t ym o n i t o r i n g ， w h i c hc o n t r i b u t e sal o tt ot h e i rl u m i n o s i t yi m p r o v e m e n t t h es u c c e s s f u ld e v e l o p m e n to fb e p c i i l u m i n o s i t ym o n i t o r ( b l m ) h a sp r o v i d e da ne f f e c t i v ea n dr e l i a b l em o n i t o r i n gi n s t r u m e n tf o rt h e m u l t i - b u n c h ，h i g h l u m i n o s i t yb e p c i i f o rm o r et h a nt w oy e a r ss i n c ei t sf i r s tr u n n i n g ，b l mh a s a l w a y sb e e na ni n d i s p e n s a b l et o o lf o rt h ed i s g n o s i n ga n dt u n i n go ft h eb e a ms t a t u s i tc o n t r i b u t e da l o tf o rt h el u m i n o s i t yi m p r o v e m e n to fb e p c i i ，a n di tw i l lc o n t i n u et oc o n t r i b u t ef o rb e p c i it or e a c h t h et a r g e tl u m i n o s i t y t h ee v e n tr a t eo f t h ep h y s i c a lr e a c t i o nd e t e c t e dm u s tb eh i g he n o u g ht or e a l i z eb u n c hb yb u n c h l u m i n o s i t ym e a s u r e m e n t s ot h er a d i a t i v eb h a b h as c a t t e r i n gp r o c e s sw a sc h o s e nb e c a u s ei t sc r o s s s e c t i o ni sl a r g ea n da l m o s ta l lo fi t sg a m m ar a d i a t i o nc a nb ec o l l e c t e dw i t had e t e c t o ro f af e wm r a d a n g u l a ra p e r t u r e t h et a r g e tb u n c hi n t e r v a lo fb e p c i ii s4 n s ，w h i c hr e q u i r e sah i g ht i m er e s o l u t i o n o fb l m s oac h e r e n k o vd e t e c t o rw i t hg o o dt i m er e p o n s ew a sc h o s e n a st h er a d i a t i o nd o s er a t e a r o u n db l mi sv e r yh i g h ，ar a d i a t i o n - r e s i s t e n tf u s e ds i l i c aw a sc h o s e na st h ec h e r e n k o vr a d i a t o r t h ec h e r e n k o vc o u n t e rc o n s t i t u t e db yg a m m ac o n v e r t e r , f u s e ds i l i c aa n dp m tr 7 4 0 0 ua r e r a d i a t i o n r e s i s t e n t ，h i g h l ye f f i c i e n ta n do ff a s tr e p o n s e c o s m i cr a yt e s ts h o w st h a tt h et i m e r e s o l u t i o no ft h es y s t e mo i lm i n i m u mi o n i z a t i o np a r t i c l e s ( m i p ) i sb e t t e rt h a n0 4 n s ，t h ed e t e c t i o n e f f i c i e n c yo ft h es y s t e mf o rm i p i sb e t t e rt h a n9 8 i n2 0 0 7 ，b l mw a ss u c c e s s f u l l yi n s t a l l e da n dt e s t e do nb e p c i i f o rt h ef i r s tt i m ei tr e a l i z e d b u n c hb yb u n c hl u m i n o s i t ym o n i t o r i n go nb e p c i i i nt h er e l a t i v em o d et h em o n i t o ri sa b l et o d e l i v e rt h er e l a t i v el u m i n o s i t i e sw i t ha na c c u r a c yo f0 8 i n2 0 0 8 ，ap r o b l e mw i t ht h ee + s t o r a g er i n gw a s “d i a g n o s e d a n ds o l v e da c c o r d i n gt ot h eb u n c h b yb u n c hl u m i n o s i t yo b t a i n e db yb l m ，a f t e rw h i c ht h el u m i n o s i t yi n c r e a s e d5 0 t h i sc o n t r i b u t e d f o rb e p c i it op a s st h en a t i o n a li n s p e c t i o n ( f o rt w ot i m e st h eb l md a t aw e r er e f e r r e dt oi nt h e n a t i o n a ld e v e l o p m e n ta n dr e f o r mc o m m i s s i o ni n s p e c t i o nr e p o r to nb e p c i ia n db e s i i i ) e v e r ym a c h i n ep a r a m e t e rt h a ta f f e c t sl u m i n o s i t yc a nb ev a r i e da n dt h eb u n c hb yb u n c h l u m i n o s i t yc a l lb es i m u l t a n e o u s l yo b t a i n e d b e c a u s eo f t h ef a s tm e a s u r e m e n tc a p a b i l i t i e so fb l m ( a v a l u ee v e r y2s e c o n d s ) s u c hs c a n sc a nb es y s t e m a t i c a l l ya n de x t e n s i v e l yu s e df o rf i n d i n go u tt h e o p t i m u m v a l u eo f t h ep a r a m e t e r ss u c ha sv e r t i c a la n dh o r i z o n t a lo v e r l a po f t h eb e a m sa ti p v e r t i c a l a n dh o r i z o n t a lc r o s s i n ga n g l ea ti p b ys t e e r i n gt h e e l e c t r o nb e a mw h i l eo b s e r v i n gt h ec o u n t i n gr a t e c h a n g e so ft h em o n i t o rt h eh o r i z o n t a la n dv e r t i c a ls i z e so f t h eb u n c hs p o t sc a nb ee s t i m a t e da s ： s+=sjp=0356mm，sye+=s=001lmmxff y ey e盖p i i i a b s t f a c t am o n i t o rs y s t e mw a sd e v e l o p e dt om a k es u r et h a tb l m r u ns t e a d i l y a st h ec r i t i c a lp a r to ft h e m o n i t o rs y s t e m ，s o m et y p e so ff i b e r sw e r et e s t e du n d e ri r r a d i a t i o n t h e i rr a d i a t i o nd a m a g ea n d r e c o v e r yc h a r a c t e r i s t i c sw e r em e a s u r e da n dat y p eo fr a d i a t i o n r e s i s t e n tf i b e rw a sc h o s e n b l mw a sc a l i b r a t e db yb e s i i ie n d c a pe l e c t r o m a g n e t i cc a l o r i m e t e r ( e e m c ) u s i n gt h e b h a b h ae v e n t s t h ec a l i b r a t i o nc o n s t a n tb e t w e e nt h el u m i n o s i t i e sb ye e m ca n dt h ec o u n t i n gr a t e s o fb l mi so b t a i n e dt ob e0 8 44 - 0 0 3 ( l0 “c m 。c o u n f l ) b l mw a sa l s oc a l i b r a t e db yb e s i i ib a r r e le l e c t r o m a g n e t i cc a l o r i m e t e r ( b e m c ) u s i n gt w o g a m m ap r o d u c t i o ne v e n t s ，a n dt h ec a l i b r a t i o nc o n s t a n tw a so b t a i n e dt ob e0 8 34 - 0 0 7 ( x lo “c m 2 c o u n t ) w h i c hi sc l o s et ot h eb h a b h ac a l i b r a t i o nc o n s t a n t f o rm o r et h a nt w oy e a r ss i n c ei t sf i r s tr u n n i n g ，b l mh a sb e e np r o v e dq u a l i f i e da n dw a s r e v i e w e db yb e p c i ia c c e l e r a t o re x p e r ta s “p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h el u m i n o s i t yi m p r o v e m e n to f b e p c i i ”b l mp a s s e dt h en a t i o n a li n s p e c t i o nw i t hb e p c i ii n2 0 0 9 7 k e yw o r d s ：l u m i n o s i t y , l u m i n o s i t ym o n i t o r , c r o s ss e c t i o n ，c a l o r i m e t e r , b h a b h as c a t t e r i n g , t w o g a m m ap r o d u c t i o n e v e n t s i v 捕蚓目录 插图目录 幽1 1j 匕京正负电子对撞机的总体布局3 图1 2b e p c i i 南对撞区的俯视图3 幽1 3b e s i i i 总体结构端面视图6 图1 4b e s i i i 总体结构沿粜流线的剖面图7 图1 5b e s i i i 量能器品体的总体分布8 幽1 6b e s i i i 离线数据处理流氍图9 幽2 1 入射粒子和苄巴粒子发生相互作川示意幽1 3 幽2 2 两求团对撞示意图15 图2 3 一个典型的三一e 曲线1 6 图2 4b h a b h a 散射微分截面随c o s 护变化的示意图1 9 图2 5b e s i i 亮度监测器原理图2 0 图2 6 刖b b b r e m 模拟的辐射光子的能颦和极角分布2 5 图2 7 在j w ( 3 0 9 7 ) 能量一f ，k ，= 5 0 m ev 时辐射光子能鼙与极角的散点图2 5 图2 8o 5 m r a d ( 左) 和l m r a d ( 右) 内的截面f h 总截面的份数与能量截断的关系2 5 图2 9b l m 安装何置示意图( 俯视图) 2 7 图2 1 0b l m 安装位置实物幽( 俯视图) 2 7 图2 1 1b l m 结构示意图2 8 图2 1 2b l m 实物图2 9 图2 1 3j 1 l ，( 3 0 9 7 ) n 匕量下，不同接收角只嗽内接收度随对撞轴夹角平。3 0 图2 1 4 ( a ) 图是光子数的分布，( b ) 图是光电子数的分布3 2 图2 1 5p m t 窗材料的光谱透过率。3 4 图2 1 6p k l t 光阴极辐射灵敏度的光谱特性。3 4 图2 】7 光屯子谱3 8 图2 1 8 铜窗的散射3 8 图2 1 9 快亮度监测系统连接图3 9 图2 2 0 前端电路结构图3 9 图2 2 1 通过不同前端电子学阂值需要从p m t 同l 极输山的最小电荷量4 2 图2 2 2 亮度数据获驭电路结构图4 3 图2 2 3 亮度数据获取电路实物图4 4 图2 2 4 延时粗调时序图4 7 图2 2 5 亮度显示与控制界面4 8 图2 2 6 高压控制界面4 9 图3 1 宇商射线在大气中的簇射图3 2 带电粒子电离损耗。5 2 图3 3 质子在儿种物质中的电离损耗5 3 图3 4 宁甫线实验的仪器位置图5 4 图3 5 宁市线实验的线路方框图5 5 图3 6 示波器记录到的某一个事例的波形图5 5 图3 7 台基谱与幅度谱5 6 图3 8 修正后的时间分布5 7 图3 9 效率坪曲线5 8 图3 1 0g e a n t 4 中方向示意图5 8 图3 1 1 分别用电子( 实线) 和光子( 虚线) 入射时，出射的e 。e + 的分布6 1 图3 1 2 实验厅的屏蔽结构和束流线布置示意图。6 2 图3 1 3 实验区域探测器的物理位置布置6 3 v i i 捕剧日录 图3 1 4 束流测试的逻辑框图6 3 图3 1 5 各种能量电子入射时的a d c 谱6 6 幽3 1 64 0 0 m e v 电子入射时修正后的时间谱6 7 图3 1 7 能量为4 0 0 m e v 的电子打到转换体上的散点图6 8 圈3 1 8 各种能域电子入射时在p m t 上产生的光电子数的分布7 1 图3 1 9 束流测试的逻辑框图7 2 图3 2 0 符种能域l 乜子入射时的a d c 谱7 3 图3 - 2 l 效率坪曲线7 4 图4 1 ( a ) 对撞束计数率随闽值的变化，( b ) 分离柬计数率随阂值的变化7 7 图4 2 对撞粜团( 左图) 和不对撞束团( 右图) 计数率和闽值的关系7 8 图4 3 不同电子学阂值下，相对亮度与i + i 的关系7 9 幽4 42 0 0 8 年和2 0 0 9 年的相对亮度8 1 幽4 5 注入1 0 个e - ( e + ) 束团，7 0 个e + ( e 。) 束团，前后共l o 个束团对撞8 l 图4 6 通过平移e 。轨道测鼙亮度的示意图8 2 图4 7 ( a ) 计数率与水平距离的关系，( b ) 计数率与乖直距离的关系8 3 图4 8b l m 的接收度随单轫致辐射光子入射位置的变化8 4 图4 9 入射点的y 不同引起切伦科大光接收度的不同8 4 图4 1 0 偏转i p 处的e + 束流轨道的角度8 5 图4 1lb l m 计数率与正电子术流在i p 的偏转角度的关系8 6 图4 1 2 实验装置框图8 7 图4 1 3 左图是不同幅度的脉冲计数，右图是一定阈值下的计数随时间的变化8 7 图4 1 4 石英光纤的传光损耗曲线8 9 幽4 1 5 实验装置框图9 0 图4 1 6b l m 附近的辐照对透过率的影响9 l 图4 17 光纤辐照后透过率变化9 2 图5 1 质心系能簧为3 5 g e v 时，二种q e d 过程的微分截面9 7 图5 2 脉冲幅度对沉积能量的二二维散点图 圈5 3 真实数据的6 q 分布9 9 图5 4 ( a ) e m “1 分布，( b ) 点k 瓤2 分布1 0 0 图5 5 ( a ) 2 0 1 0 2 1 9l ( t ) 和，2 b l m ( o 的趋势图。( b ) 2 0 1 0 2 1 9k 的分布图1 0 2 图5 6 ( a ) k 在2 0 1 0 2 1 2 0 1 0 3 7 的趋势图，( b ) k 在2 0 1 0 2 1 - 2 0 1 0 3 7 的分布图1 0 2 图5 7 ( a ) e | m a 。1 分布，( b ) e m 。2 分布。1 0 3 图5 8 真实数据的如分布1 0 4 图5 9 ( a ) 2 0 1 0 2 1 9l ( o 利n b l m ( 0 的趋势图，( b ) 2 0 1 0 2 1 9k 的分布图1 0 6 图5 1 0 ( a ) k 在2 0 1 0 2 1 2 0 1 0 3 7 的趋势图，( b ) k 在2 0 1 0 2 1 2 0 1 0 3 7 的分布图1 0 6 v i i i 表格日录 表格目录 表1 1 从b e p c 提高到b e p ci i 的途径( e = 1 5 5g e v ) 4 表1 2b e p c ii 的主要参越与b e p c 的比较4 表1 3 探测器参数的比较7 表2 1 正常事例触发和随机本底触发2 1 表2 2j v ( 3 0 9 7 ) 和、l ，”( 3 7 7 0 ) f l e 鬣。i - 单轫致辐射总截面o t 。t 与能鲑截断的关系2 4 表2 3 通过不同厚度的铅块后出射电子利正电子的个数、平均能域、角度3 0 表2 4p m tr 7 4 0 0 u - 0 6 ( 0 3 ) 的主要特性3 3 表2 5 各个型号和产品号的p m t 的增益及其目前使州状况。3 5 表2 6 调1 ，其他p m t 的h v 使得与0 6 c b l l 0 8 增益相等3 5 表2 7 散射事例i i j 总事例的比r 随入射光子能量的变化3 6 表2 8 亮度信号电路与反符合信号电路的稳定性4 2 表2 9 芯片位置与延时的对应4 5 表3 1 效率坪曲线的数据5 7 表3 2 出射电子和正电子的平均个数、平均能量、平均角度5 9 表3 3e 3 试验束的主要性能参数6 1 表3 4 折合到p m t 光阴极的平均光电子数一6 5 表3 5 各个能量电子入射时b l m 总的时间分辨6 7 表3 6 对应的各个能量的各个区间上的效率及其误差6 8 表3 7 对应的各个能量的各个区间上的效率及其误差6 8 表3 8 模拟所得的p m t 光阴极的平均光电子数7 0 表3 9 实验和模拟所得的光阴极的平均光电子数7 0 表3 10 效率坪曲线的数据7 4 表4 1 分离束背景扣除法中，不同闽值下的计数率及其误著7 8 表4 2l e d 的性能参数8 9 表4 3b l m 附近的辐照对透过率的影响( 系统误差约5 ) 9 0 表4 4 高羟基h c s 光纤的透过率与辐照剂量的关系9 1 表4 5 各组光纤辐照剂量和剂量率9 2 表5 1b h a b h a 事例所得亮度的系统误差1 0 0 表5 2 双光子产生事例所得亮度的系统误差。1 0 4 1 x 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谓 的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：煎垒 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 口公开口保密( 年) 作岳敛钽蕊缠 作者签名：虫堡 签字f | 期：妲! ：i ：2 导师签名： 签字r 期： 第一章引言 1 1 选题背景 第一章引言 粒子物理学是研究物质结构的最基本组成及其相互作用的前沿学科。早期粒 子物理的研究手段是宇宙线观测，以后逐步发展到以高能加速器和大型探测器为 主要研究工具。通过加速器获得的粒子束流能量越高，波长越短，就越能深入物 质内部获取更多的信息，因此粒子物理学也被称为高能物理学。 当今用于粒子物理研究的加速器有两种发展趋势： 高能量前沿：即采用更高的工作能量，在高能量下寻找新粒子，发现新现象。 这以欧洲核子中心( c e r n ) 正在建造中的大型强子对撞机l h c 1 】为代表。l h c 以寻找标准模型 2 】中的h i g g s 粒子和探索新物理为主要目标。 高亮度前沿：即在某一特定能量下提高对撞亮度，产生大量的某类粒子( 被 形象的称之为粒子工厂) ，并在低本底环境下( 通常采用j 下负电子对撞) 使用高分 辨的探测器进行细致精确的测量，以检验现有模型发展新理论。这其中有已建成 的以研究c p 破坏为主要目标的p e p i i 3 b a b a r 4 和k e k 5 b e l l e 6 两座b 介子 工厂以及d a o n e 7 k l o e 8 】介子工厂。运行在r 一粲能区，研究第三代轻子t 和第二代上夸克c 夸克的北京正负电子对撞机( b e p c ) 9 及其探测器北京谱仪 ( b e s ) 1 0 也属于这一高精度行列。 b e p c 及其探测器b e s 运行在2 - 5 g e v 能区，专门从事t 一粲物理研究，是世界 上唯一的一台在7 一c 能区工作的正负电子对撞机。b e p c b e s 获取了j v ，、i ，t ， d 和d 。等的大量实验数据，取得了一批重要的物理结果【1 3 1 4 1 。 为顺应世界高能物理的发展，保持b e p c b e s 在【一粲物理研究中的领先地位， 2 0 0 4 年b e p c b e s i i 停止运行，进行第二次升级改造，即b e p c i i b e s i i i 。2 0 0 9 年 北京正负电子对撞机重大改造工程( b e p c i i ) 通过了国家验收。升级后的b e p c i i 是一个多束团高亮度的双环对撞机，将继续工作在t 一粲能区，其设计的峰值亮度 为1 0 n c m 。2 s 1 1 8 9 g e v ，是原来b e p c 的1 0 0 倍。 第一章0 i 苦 1 2 北京正负电子对撞机( b e p c ) i ：i i ：京谱仪( b e s ) 的物理目标 将现在运行在t 粲能区的b e s i i b e p c 升级到b e s i i i b e p ci i ，是基于该能区 以下两方面高精度的物理研究的需要： 1 ) 粒子物理标准模型，尤其是弱电相互作用理论的成功已被以l e p a l e p h ， l 3 为主的大量精确测量所确认。在t 粲能区，针对第三代轻子t 和第二代上夸克 粲夸克的专门的高亮度实验设备，虽然早在上个世纪8 0 年代末就已提出，却由于 种种原因迟迟未能实现。 2 ) 标准模型的一个重要组成部分量子色动力学( q c d ) 在大动量转移下 的计算已为大量的实验事实所检验，但它在低能区的推广则因为微扰论的不适用 逐渐丧失了预言能力。尤其是对胶子球、混杂态的性质以及对相同能区的大量强 子态的性质，理论上几乎没有定量的结论，这大大阻碍了人们对于低能强相互作 用的认识。格点量子色动力学( l q c d ) 的发展，尤其是计算精度的进一步提高原 则上将提供更多的理论预言，但同时，它也需要高精度实验数据的检验。t 粲能区 粒子及衰变产物正处在l q c d 计算起决定作用的能区，相应的物理研究将是非常 必要的。 1 3 北京正负电子对撞机( b e p c ) 北京正负电子对撞机是单个储存环的对撞机，正负电子各有一个束团在同一 个环形真空盒里储存、加速和对撞。它由五大部分构成：注入器、束流输运线、 储存环，北京谱仪( b e s ) 和同步辐射装置( b s i u ) ，图1 1 展示了b e p c 的外型 和各大组成部分。注入器是一台长2 0 2m 的正负电子直线加速器，正负电子束经 由总长为2 1 0m 的束流输运线注入到储存环。储存环是一台周长为2 4 0 4m 的同步 加速器，束流在这里积累、加速、储存、对撞，提供高能物理和同步辐射实验。 储存环上有两个对撞区，北京谱仪安装在南对撞区。 船一帝一害 图l1 北京正负电子对撞机的总体布局 升级后的b e p c i i 1 5 采用了双储存环，这样不仅能允许更多束团对撞而且 参量的调整、优化也有更多选择。b e p c i i 在南对撞区的俯视图如图l2 所示，下 负电子束流在两个彼此独立的储存环里运动，内环与外环在南北两个i p ( i n t e r a c t i o n p o i n t ，l p ) 相互交叉，正负电子各走半个内环和半个外环，在南i p 以1 lm r a d 的 交叉角对撞。 黎 闰i2b e p c i i 南对撞区的俯视幽 亮度是对撞机最主要的指标之一，它与物理反应的事例率成正比。从b e p c 到b e p c i 【的主要目标是提高对撞亮度。袁l i 说明了从b e p c 到b e p c i i 提高亮 度的途径，即采用微包络函数( m i c r o - p ) 和多束团对撞。 一 第一章0 i 葺 表1 1 从b e p c 提高到b e p c i i 的途径( e = 1 5 5g e v ) 参量单位 b e p cb e p c i i亮度提高因子 屈+ c m5 51 5 3 6 7 乜 l9 3 9 3 专 0 0 40 0 4 l i bm a 3 59 8 o 2 8 三1 0 3 1c m 2 s 。11 o1 0 01 0 0 升级后的b e p c i i 将继续在彳一c 能区工作，其束流能量范围为1 2g e v 。与 b e p c 相比较，b e p ci i 的主要参量如表1 3 所示。 表1 2b e p c i i 的主要参量与b e p c 的比较 参量单位 b e p c i ib e p c 束流能量eg e v1 0 2 0i o 2 5 注入能量 g e v 1 5 5 1 8 91 3 周长cm 2 3 7 5 32 4 0 4 回旋频率石 m h z1 2 6 21 2 4 7 磁聚焦结构类型f o d o + ，傲包络插入节f o d o + 小包络插入节 对撞点包络函数屈。傍 c m1 0 0 1 51 2 0 5 工作点硌 6 5 7 7 6 i 0 0 3 45 8 6 7 0 0 2 束流自然能散度磊 2 7 3 e x l 0 42 6 4 e x l 0 4 动量压缩因子绵 0 0 2 3 5 0 0 4 3 束流自然发射度铴 m m m r a d o 1 4 1 8 9g e v0 3 9 1 8 9g e v 自然色品影缸 11 9 2 5 4 1 1 3 2 6 1 辐射阻尼时间r d 互2 5 2 5 1 2 5 1 8 9g e v 2 8 2 8 1 4 1 8 9g e v 高频频率乃 m h z4 9 9 81 9 9 5 3 3 高频谐波数h 3 9 6 1 6 0 高频电压v , i m v1 5o 6 1 6 4 第一章引言 束团数e tk b9 32 l 串内束团间隔&m2 42 4 0 4 柬团流强厶 m a 9 8 1 8 9g e v 3 5 国1 8 9g e v 、一 束流强度 对撞 9 1 0 1 8 9g e v2 x 3 5 i 8 9g e v m a 厶明州 同步辐射 2 5 0 2 5 g 1 3 0 束团长度匹池 c m1 55 耦合阻抗i z n