（粒子物理与原子核物理专业论文）塑料闪烁体型飞行时间计数器的研究.pdf

中国科学技术大学博士论文赵力 摘要 本论文首先简要地介绍了粒子物理和粒子探测器的历史和现状。随着现代计 算机技术和电子学的发展，高能物理对粒子探测器的性能要求越来越高，能否发 现新的粒子和物理现象取决于大型探测器的整体性能。北京正负电子对撞机 ( 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 ) 由直线加速器、束流运输线、储存 环和北京谱仪( b e i j i n gs p e c t r o m e t e r ，简称b e s ) 组成，是我国进行高能物理实 验的一个很重要的大型仪器，凭借它使我国在国际高能物理研究中占有一席之 地。虽然过去曾取得一些重大成果，但现在该探测器已经老化了，并且随着国际 高能物理的快速发展，它已很难继续保持在，c 粲能区物理研究的领先地位。因而， 现在正需要在过去成功运行的基础上对b e p c b e s i i 进行升级改造，大幅度提高 其性能，从而继续取得国际高水平的物理成果。然而，大型探测器整体性能的好 坏取决于每个子探测器的好坏，只有将每个子探测器设计好并精确地安装，升级 改造工程才可能圆满完成。 本论文的核心主要是对塑料闪烁体型飞行时间计数器( t i m eo f f l i g h t ，t o f ) 的研究。该探测器是正在建造中的b e s i i i 一子探测器，它鉴别动量小于1g e v c 的带电粒子k 万的能力是很强的，同时它也提供快触发和事例定时信息。由于 其技术较成熟，这种探测器应用相当广泛。然而，为了使b e s i i i 的t o f 探测器 的性能达到或超过国际先进水平，必须对该探测器进行详细的研究和测试。 作为t o f 计数器的两个重要组成部分一闪烁体和倍增管，它们的性能是相 当关键的。经过仔细调研并参考其他探测器，挑出了三种快闪烁体：b c 4 0 8 ， b c 4 0 4 和e j 2 0 0 。实验研究显示它们发射谱的峰位分别是4 2 5n i n ，4 0 7n i n 和 4 2 6n l y t ，且发射谱的形状和峰位在闪烁体被辐射源大剂量辐照后依然不变：它们 的相对光产额会随辐照剂量的增加而减小；在弱辐照后，1 0 0 小时内没有观察到 明显的光产额恢复效应；b c 4 0 8 和e j 2 0 0 在发射峰处的透过率为7 0 左右， b c 一4 0 4 的略低。因而对于估计的在b e p c i i 上每年将受到的1 0g y 剂量来说，这 些闪烁体都没有问题，但优先考虑闪烁体b c 4 0 8 和e j 2 0 0 。考虑到闪烁体的尺 寸和发射谱，谱仪的有限内部空间以及倍增管的性能参数，选择了h a m a m a t s u 公司生产的较短倍增管r 5 9 2 4 ，测试表明其抗磁性和时间性能满足要求。 我们对由塑料闪烁体和倍增管组成的单根t o f 计数器进行了束流试验和模 拟，束流试验的读出电子学是由n i m ( n u c l e a ri n s t r u m e n tm o d u l e ) c a m a c 插 件和机箱组成的。长条形闪烁体的测试实验是利用了高能所提供的干净次级粒子 束流，然而为了获得其准确的时间分辨率，参考时间起点的时间晃动必须尽可能 地小。为此，设计了几种薄快闪烁体+ 快倍增管的组合方案，其中最小的时间晃 动可达4 4 2p s 。铝膜包装的，长2 3m 宽6c m 而不同厚度的塑料闪烁体b c 4 0 8 的实验结果表明5c m 厚的闪烁体搭配倍增管r 5 9 2 4 表现出最佳性能，而不是6 c m 厚的闪烁体，模拟结果显示其主要原因是倍增管的有效接受面积限制了收集 到的光电子数目。而由不同的反射材料包装的e j 2 0 0 的实验结果显示反射材料 的反射率增大其时间性能不会一直变好，模拟显示被反射回来的大量光子会破坏 脉冲前沿，从而抑制了时间性能的提高。 最后，由闪烁体、倍增管、快前放、1 8m 差分电缆，以及由v m e 机箱和9 u 模块板构成的读出电子学组成了完整的t o f 系统，并进行了束流试验，结果表明 在闪烁体中间位置的包括电子学晃动在内的时间分辨率为：7 0 2 p s ( 质子) ， v 中国科学技术大学博士论文赵力 1 0 4 1 l p s ( 万+ ) ，9 4 3 p s ( 电子) 。而电子随机入射t o f 整体的模拟表明：在距 离倍增管5c m 内存在异常点，应给予扣除；采用统一的公式修正后，t o f 整体 的本征时间分辨率可达8 6 lp s 。 总之，通过上面的详细研究，b e s i i i 的t o f 的整体时间性能达到了国际先进 水平。 v i 中国科学技术大学博士论文赵力 a b s tr a c t t h i sp a d e rb e g i n sw i t hab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ep a s ta n dc u r r e n ts t a t u so f p a r t i c l ep h y s i c sa n dp a r t i c l ed e t e c t o r t h ep e r f o r m a n c eo ft h ep a r t i c l ed e t e c t o r b e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tf o rh i g he n e r g yp h y s i c sa st h em o d e r nt e c h n o l o g y o fc o m p u t e ra n de l e c t r o n i c sg r o w s ：t h ed i s c o v e r yp o t e n t i a lo fn e wp a r t i c l e sa n d p h y s i c a lp h e n o m e n ai sd e t e r m i n e db yt h ew h o l ep e r f o r m a n c eo ft h eh u g ed e t e c t o r t h eb 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 ) ，c o m p o s e do ft h el i n e a ra c c e l e r a t o r , t h et r a n s p o r t a t i o nl i n e ，t h es t o r a g er i n ga n dt h eb e i j i n gs p e c t r o m e t e r ( b e s ) ，i sam o s t i m p o r t a n tm a c h i n ef o rh i g he n e r g ye x p e r i m e n ti no u rc o u n t r y , a n dm a k e su sh a v ea s e a ti nt h ei n t e r n a t i o n a lc o m m u n i t yo fh i g he n e r g yp h y s i c sr e s e a r c h a l t h o u g hi th a d g r e a ta c h i e v e m e n t si nt h ep a s ty e a r s ，b u tn o wa st h ed e t e c t o rb e c a m ea g e di ti sh a r d f o ri tt oc o n t i n u o u s l yp l a yal e a d i n gr o l ei nt h et a u c h a r mp h y s i c ss t u d yt om e e tt h e r e q u i r e m e n to fr a p i dd e v e l o p m e n ti nh i g he n e r g yp h y s i c s h e n c e ，i ti st h er i g h tt i m et o u p g r a d eb e p cm a c h i n ea n db e s i id e t e c t o r ，t om a k ei t sp e r f o r m a n c eb eg r e a t l y i m p r o v e db a s e do ni t sp a s ts u c c e s s f u lo p e r a t i o n a n dt h e n ? t h eh i g h c l a s sp h y s i c s r e s u l t si nt h ew o r l dw o u l db eo b t a i n e dc o n t i n u a l l y h o w e v e r ；t h ew h o l ep e r f o r m a n c e o ft h eh u g em a c h i n ed e p e n d so ni t se a c hs u b d e t e c t o r s ；t h eu p g r a d ep r o je c tw o u l db e c o m p l e t e ds u c c e s s f u l l yo n l yi fa l l i t ss u b d e t e c t o r sa r eb e t t e rd e s i g n e da n dp r e c i s e l y i n s t a l l e d t h i sd i s s e r t a t i o ni sm a i n l yf o c u s e do nt h es t u d yo ft i m e o f - f l i g h tr t o f 、c o u n t e r s y s t e mm a d eo fp l a s t i cs c i n t i l l a t o r a sas u b d e t e c t o ro fb e s i i ic u r r e n t l yu n d e r c o n s t r u c t i o n ，t o fs y s t e mi sp o w e r f u lf o rc h a r g e dp a r t i c l e i d e n t i f i c a t i o n ( p i d ) o f k 万w i t ham o m e n t u ml e s st h a n1g e v c a tt h es a m et i m ei tc a na l s op r o v i d et h e f a s t t r i g g e ra n de v e n tt i m i n gi n f o r m a t i o n t h i sk i n do fd e t e c t o r si sw i d e l yu s e d b e c a u s eo fi t sm a t u r et e c h n o l o g y h o w e v e r ，i no r d e rt om a k et h ep e r f o r m a n c eo f b e s i i it o fc o u n t e rc l o s et oo re x c e e dt h ei n t e r n a t i o n a la d v a n c e dl e v e l s o m e d e t a i l e ds t u d i e sa n db e a mt e s t sh a v et ob ed o n e t h ep r o p e r t i e so ft h es c i n t i l l a t o ra n dp h o t o m u l t i p l i e r ，t h et w oi m p o r t a n tp a r to f t o fc o u n t e r , a r ev e r yp i v o t a l t h r o u g hd e t a i l e di n v e s t i g a t i o na n dr e f e r r i n gt oo t h e r d e t e c t o r s ，t h r e ek i n d so fs c i n t i l l a t o r s ，b c 4 0 8 ，b c 4 0 4a n de j 。2 0 0 ，a r es e l e c t e d t h e p e a kp o s i t i o n o ft h e i re m i s s i o n s p e c t r u mi s a t4 2 5n n ，4 0 7n n la n d4 2 6n i n r e s p e c t i v e l yf r o me x p e r i m e n t a ls t u d y , t h i sp e a kp o s i t i o na n ds h a p eo ft h es p e c t r u m r e m a i n su n c h a n g e de v e na f t e rb e i n gi r r a d i a t e db ys t r o n gi r r a d i a t i o nr e s o u r c e ；t h e r e l a t i v el i g h ty i e l do fa l lt h es a m p l e sd e c r e a s e sw h e nt h er a d i a t i o nd o s ei n c r e a s e s ；n o e v i d e n c eo fr e c o v e r yo fl i g h ty i e l di so b s e r v e dw i t h i n10 0h o u r sa f t e rw e a ki r r a d i a t i o n ； t h et r a n s m i t t a n c eo fb c 一4 0 8a n de j 2 0 0i sa b o u t7 0 ， a n dt h a to fb c 。4 0 4i sj u s t 1 i t t l e1 0 w e r h e n c e a 1 1o ft h e mc a nb eu s e df o rt h et o fc o u n t e rs i n c et h ee s t i m a t e d d o s er a t e a tb e p c i ii s10g yp e ry e a r ，b u tb c 4 0 8a n de j 2 0 0a r ep r e f e r r e d c o n s i d e r i n gt h es i z ea n de m i s s i o ns p e c t r u mo fs c i n t i l l a t o r , t h el i m i t e dd e t e c t o ri n n e r s p a c e ，a n dt h ep a r a m e t e ro fp m t ，t h es h o r t e rp m tr 59 2 4m a d eb yh a m a m a t s u c o m p a n yi s c h o s e d t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ed i a m a g n e t i s ma n dt i m e p e r f o r m a n c eo fp m tr 5 9 2 4m e e t so u rg o a l s t h eb e a mt e s ta n dm o n t ec a r l os i m u l a t i o no fas i n g l et o fc o u n t e rc o m p o s e do f v i i 中国科学技术大学博士论文赵力 s c i n t i l l a t o ra n dp m th a v eb e e nd o n e ，t h er e a d o u te l e c t r o n i c so fe x p e r i m e n tc o n s i s t s o ft h en i m ( n u c l e a ri n s t r u m e n tm o d u l e ) c a m a cm o d u l ea n dc r a t e t h el o n gb a r so f s c i n t i l l a t o ra r et e s t e db yu s i n gt h ec l e a ns e c o n d a r yp a r t i c l e sp r o v i d e db yi n s t i t u t eo f h i g he n e r g yp h y s i c s h o w e v e r ，i no r d e rt og e tt h ec o r r e c tt i m er e s o l u t i o no ft h eb a r ， t h ee r r o ro ft h er e f e r e n c es t a r tt i m em u s tb ea ss m a l la sp o s s i b l e s e v e r a lp o s s i b l e c o n f i g u r a t i o n so ft h et h i nf a s ts c i n t i l l a t o rc o u p l e db yt h ef a s tp m th a v e b e e ns t u d i e d ， t h et i m i n ge r r o ro fab e s to n er e a c h e s4 4 2p s t h et e s tr e s u l t so ft h eb a rb c 一4 0 8o f 2 3m l o n ga n d6c mw i d e ，w r a p p e dw i t ha lf i l m ，s h o wt h a tt h eb a ro f5c mt h i c k n e s s h a st h eb e s tp e r f o r m a n c e ，t h eb a ro f6c mt h i c k n e s sd o e sn o t ；f r o m s i m u l a t i o ns t u d y w eu n d e r s t a n dt h a tt h ee f f e c t i v ec a t h o d ea r e ao fp m tl i m i t st h en u m b e ro f p h o t o e l e c t r o n sa c c e p t e d t h es t u d yo ft h e b a re j 2 0 0w r a p p e dw i t hv a r i o u sr e f l e c t i v e m a t e r i a l ss h o wt h a tt h et i m er e s o l u t i o no ft h eb a ri sn o ta l w a y si m p r o v e da st h e r e f l e c t i v i t yi n c r e a s e s i tc a nb es e e nf r o mm cs i m u l a t i o nt h a tl a r g en u m b e ro fp h o t o n s r e f l e c t e db a c kf r o mt h ew r a p p i n gm a t e r i a ld a m a g et h ef r o n te d g eo ft h ep u l s e a n d t h e nr e s t r a i nt h ei m p r o v e m e n to f t i m er e s o l u t i o n f i n a l l y ，t h eb e a mt e s to ft o fs y s t e m ，i n c l u d i n gt h es c i n t i l l a t o r ，t h ep m t ，t h ef a s t p r e - a m p l i f i e r , 18md i f f e r e n c ec a b l e s t h er e a d o u te l e c t r o n i c so fv m ec r a t ea n d9 u m o d u l e ，s h o w st h a tt h et i m er e s o l u t i o ni n c l u d i n gt h ee r r o ro fe l e c t r o n i c si nt h em i d d l e o ft h eb a ri s7 0 士2p sf o rp r o t o n ，10 4 土11 p sf o r 刀+ ，9 4 士3p sf o re l e c t r o n t h e s i m u l a t i o no ft h e b a rh i tr a n d o m l yb yt h ee l e c t r o n ss h o w st h a tt h e r ea r es o m e a b n o r m a lp o i n t si nt h ed i s t a n c el e s st h a n5c mt op m t t h ew h o l ei n t r i n s i ct i m e r e s o l u t i o no ft o f ，c o r r e c t e du s i n gau n i f i e de q u a t i o n ，c a nr e a c h8 6 士1p s t os u mu p ，t h ew h o l ep e r f o r m a n c eo fb e s i i it o fs y s t e mr e a c h e s t h e i n t e m a t i o n a lh i g h c l a s sl e v e lf r o mt h ea b o v ed e t a i l e ds t u d y v i l l 中国科学技术大学博士论文赵力 第一章前言帚一早只i j 苗 1 1 粒子物理的发展现状 人类对物质世界的不断认识是人类文明不断进步的特征之一，在欧洲，古希 腊哲学家德谟克里特提出了朴素的原子论，认为物质世界是由最小的，不可再分 的，被称为原子的单元所构成，但最小的单元具体是什么，至今仍没有定论。 与此同时我国古代哲人也在思考类似的问题，在西周末年提出了五行学说， 认为宇宙万物都是由金、木、水、火、土五种基本物质的运动和变化所构成( 左 传) 。还有我国道家学派的太极之说( 易经) ，认为太极是宇宙最原始的基因， 阴阳未分的混沌状态，是形成万物的本源，即所谓“无极生有极，有极是太极， 太极生两仪( 即阴阳) ，两仪生四象，四象演八卦，) k j k 六十四卦”。但是仅靠哲 学家的大脑思考是没法真正了解物质世界的，而“最小单元”也只能停留在哲学 的范畴内。直到大约四个世纪之前，1 5 9 0 年和1 6 0 9 年先后出现的显微镜和望远 镜，是人类首先使用的可见光探测器，使人类对物质世界的探索逐步走上了实验 科学的轨道。随着社会的发展，技术的进步，科学家们发现了自然界中的某些基 本作用力( 引力，电力和磁力) ，解释了一些自然现象。但直到1 9 世纪中期才发 现，电力和磁力实际上只是现在被称为电磁力的两种表现形式。 对物质本身的基本性质的研究，其进展也十分迟缓。实际上直到1 9 世纪最 后的十年中，即在1 8 9 7 年汤姆生才发现人们现在称之为基本粒子的第一个粒子 一电子。1 9 1 1 年卢瑟福( e r u t h e r f o r d ，1 8 7 1 1 9 3 7 ) 由0 【粒子大角度弹性散射实验， 又证实了带正电的原子核的存在。这样，就从实验上证明了原子的存在，以及原 子是由电子和原子核构成的理论。1 9 3 2 年，查德威克( j c h a d w i c k ，1 8 9 1 1 9 7 4 ) 在 用c 【粒子轰击核的实验中发现了中子。随即人们认识到原子核是由质子和中子构 成的，从而得到了一个所有的物质都是由基本的结构单元质子、中子和电子 构成的统一的世界图像。在以后的几十年里，仅仅发现了少数几类真正的基本粒 子：p ，中微子和光子。只是在距今4 0 多年里，粒子物理才取得了巨大的进展， 使我们能够充分地了解基本粒子的家族，并对物质的基本性质有了较完美的认 识。 经过了近百年来的科学实验，人们认识到物质是有分子和原子构成的。原子 的中心是原子核，原子的外层是电子，原子核是由质子和中子组成的。而中子和 质子本身又是由夸克构成的。到目前为止，对构成宇宙的物质结构的认识，人们 在夸克这个层次上把微观粒子分为三类，即夸克、轻子和媒介子。又将夸克和轻 子分为三个家族或三代：第一代是上夸克、下夸克、电子和电子型中微子；第二 代是粲夸克、奇异夸克、子和p 型中微子；第三代是顶夸克、底夸克、f 轻子 和丁轻子型中微子。媒介子是对传递四种自然力的粒子的通称，即光子、中间玻 色子、胶子和引力子。在理论上与夸克、轻子和中间玻色子的质量问题密切相关 的h i g g s 粒子不属于上述类别。 在今天的粒子物理中，最成功的理论是标准模型，它包括两部分：一是有关 电磁力和弱力的统一理论，即格拉肖一温博格一萨拉姆电弱统一理论：二是揭示 夸克内部性质及相互作用规律的量子色动力学( q c d ) 理论。 电弱统一理论的基本思想是：根据电磁力和弱力的一些相通之处，将同位旋 空间中的定域s u ( 2 ) 对称性和超荷空间中的定域u ( 1 ) 对称性结合起来，让弱作用 中国科学技术大学博士论文赵力 表1 1 “基本粒子”的质量、电荷和白旋 质量 类别粒子名称符号电荷( e ) 自旋 ( g e v c 2 ) 套 上夸克 u0 32 31 2 第一代 下夸克 do 31 3 1 2 粲夸克 c 1 52 31 2 第二代 奇异夸克 s0 4 51 3 1 2 第三代 顶夸克 t 1 7 5 62 31 2 完 底夸克b51 31 2 电子 e5 1 1 0 - 411 2 轻第一代 电子型中微子u 8 2 1 0 9o1 2 子 o 1 0 61 1 2 第二代 子中微子 u 9 5 4 ，即满足2 e y 鉴别能力； a t 5 6 0 0 - r o f ，正确n 9 9 7 ，即满尽3 6 答别能力。 图2 9 兀分辨能力 对于t o f ，测量的相同动量刚兀粒子的飞行时间差t 是指它们在主漂移室 中国科学技术大学博士论文赵力 内的飞行时间差，即：丁= 礁c 一磁d f 。这里，一层t o f 电子和的设计分辨率 为1 0 0 1 1 0 p s ：由于k r e 粒子的强相互作用，根据b e s i 、b e s i i 2 3 弄nb e l l e 2 4 的飞行时间计数器的经验，科兀粒子的时间分辨比电子和“子要差约2 0 。所以， 单层t o f ，刚兀分辨率o - ( 0 ) = 1 2 5 p s ，双层t o f ，o r ( o ) = 1 0 5 p s 。 由于随粒子击中闪烁体的位置距光电倍增管距离的不同而得到的时间分辨 率不同，在靠近光电倍增管一端时间分辨好，在中间的时间分辨差。根据实验经 验，初步确定时间分辨随粒子方向的极角的变化关系为： c r ( x ) = 仃( 0 ) ( 1 0 3 x 2 ) 其中x = c o s ( o ) ，0 是极角，o - ( o ) 是打中闪烁体中心位置时t o f 的时间分辨率。 据此，图2 9 给出了一层和双层t o f 的k t t 分辨能力。在2 g 鉴别能力的要求 下，k r t 的动量分别可以达到0 8g e v c 和0 9g e v c 。 对于端盖t o f ，计划使用扇型的塑料闪烁体加光电倍增管测量。端盖闪烁体 的宽度增加，但长度减少为约4 0 0i i l m ，预计其本征时间分辨仍然可以达到8 0 p s 。 考虑达到端盖附近的粒子穿越主漂移室的层数较少，所以由主漂移室径迹重建的 外推定位不如桶部的定位准确，其误差估计为1 0m m ，导致时间不确定性为5 0 p s 。 再把束团长度、多束团间隔、电子学测量精度等影响都考虑后，端盖飞行时间计 数器的总时间分辨率为11 0p s 。 图2 1 0 桶部和端盖t o f 组装图 闪烁一 套e 毵 嚣 缓 ；荔 糍 糍 爱j麴 飞 s n口n 盖 孔 中国科学技术大学博士论文赵力 3t o f 结构和组装 桶部t o f 置于主漂移室和晶体量能器之间，m d c 的外桶外沿半径为8 1 0 m m ，晶体量能器的内桶外沿半径为9 3 0m m ，上下各扣除3m m 安装间隙，这样 t o f i i i 在径向有1 1 4m m 的空间。每根塑料闪烁体将和其两端的光电倍增管密封 在一起，然后捆绑于m d c 的外桶上，每层8 8 块，每块长2 3 0 0m m ，厚5 0m m ， 截面为梯形，其总重量约为1 6 0 0 公斤( 每层约为8 0 0 公斤) 。 端盖t o f 厚为5 0m m ，共分为4 8 块，每块为扇型，内半径为4 1 0m m ，外 半径为8 9 0m m 。端盖t o f 的塑料闪烁体将粘接于端盖量能器上。因为在端盖 t o f 的外半径处要为走电缆、气管等留空间，且应当减少端盖t o f 与桶部t o f 连接处的死区，端盖t o f 的光电倍增管只能放置于内半径处。考虑到端盖量能 器的内半径为5 0 0m m ，较端盖t o f 的内半径为4 1 0m m 大，所以端盖t o f 的光 电倍增管将有0m m 的径向空间，将由靠近中心的一端读出时间信息。 桶部和端盖t o f 的各组件的安装后的示意图见图2 1 0 。 4t o f 读出电子学系统 t o f 电子学系统对整个飞行时间测量的不确定性的贡献要不大于2 5p s ，t o f 电子学系统的基本功能是进行粒子的飞行时间测量，即获得“时间信息”。为了 校正由于幅度一游动( t i m e w a l k ) 效应带来的时间测量误差，系统还必须对光 电倍增管输出信号的幅度进行测量，即所谓的“电荷测量”。同时，系统还要提 供快时间响应信号给触发系统。所以，t o f 电子学系统需要完成以下的三项基本 功能： 1 时间测量； 2 电荷测量； 3 提供快时间响应信号。 为了增加在磁场中倍增管的输出信号幅度，采用的前置放大器的基本指标： 电压增益：1 5 ；信号带宽： 1 5 0 m h z ；上升时间：2n s ；输出信号：差分；输 出信号动态范围：0 4v ( 差分) ；电源：6v 。 t o f 前端电子学( f r o n te n de l e c t r o n i c s ：简称f e e ) 将由三部分电路组成， 即时间测量电路，电荷测量电路和时间平均器电路，时间平均器电路的功能是产 生一个快的时间信号给触发系统。图2 1 1 是f e e 的原理方框图。前端电子学的 电路设计在v m e 9 u 模块中完成。 为了提高集成密度，减少传输电缆，采用3 2 个通道的f e e ( 3 2 通道的时间 测量和3 2 通道的电荷测量) 被包含在一个v m e 9 u 模块中。f e e 的基本工作原 理如下：光电倍增管两端的输出信号分别被分成三路，一路输入到高速、低阈值 甄别器中，该甄别器的输出信号被送入到一个高性能h p t d c 电路中，为时间测 量提供最精确的“h i t ”时间信息；另一路输入到高速、高阈值甄别器，其输出信 号有两项功能：进入时间平均器，与光电倍增管另一端相应信号求平均，生成 中国科学技术大学博士论文赵力 快的时间信号；作为个门控信号，用以控制低阈值甄别器的信号输出和控制 用以电荷测量的a d c 电路。只有当信号幅度大于高阈甄别器的阈值时，事例才 被记录和测量。高阈值甄别器的触发阈值的确定要考虑到测量效率和实际的背景 噪声大小，在实际调试中，高、低甄别阈值分别由一个d a c 电路程控调节。光 电倍增管的第三路输出信号则被输入到a d c 电路中，做电荷测量。 l 图2 1 1t o f 前端电子学原理方框图 2 3 2 4 电磁量能器 电磁量能器位于t o f 的外面，在b e s i i i 中占有十分重要的地位，它的基本 功能是测量电子和1 ，光子的能量和位置信息。 根据b e s i i i 总体的物理要求，b e s i i i 采用由c s i ( t 0 晶体构造的全吸收型电 磁量能器 2 5 ，2 6 ，2 7 ，2 8 ，它具有如下的功能和指标： ( 1 ) 测量电子和丫光子的能量，能量覆盖范围为：2 0m e v 一2o e v 。并且在 能量低于5 0 0m e v 的重点区域，能量分辨率达到2 3 、顾石历o1 ； ( 2 ) 电磁簇射的位置分辨：o 。，6m 州扛面丽； ( 3 ) 提供中性( y ) 能量触发； ( 4 ) 在能量大于2 0 0m e v 的区域具有良好的e 尢分辨； ( 5 ) 足够小的探测单元精度和精细的信号读出，具有良好的双y 角分辩能力， 并具有较强的探测高能兀0 的能力和区分来自强子衰变产生的假y 的能力； ( 6 ) 每块晶体读出电子学的等效噪声能量小于2 2 0k e v 。 能量分辨率是电磁量能器的最重要的指标之一，影响能量分辨率的主要因素 可以用下面的公式表示： 中国科学技术大学博士论文赵力 仃e = 盯；c + 盯j + 吒。+ 仃；。+ 盯乞， 其中，c r 。r 为量能器的本征能量误差，主要依赖于入射粒子能量沉积的涨落，及 信号产生或转换过程的涨落；o ，l 为簇射过程中的能量泄漏误差，包括能量在量 能器之前的吸收和闪烁晶体之后的能量泄漏涨落；6 。0 i s 。为量能器的读出电子学 的等效能量噪声及高亮度下沉积能量堆积的误差等；6 p d 为闪烁晶体之后的簇射 泄漏粒子在光电读出器件上产生的等效能量信号的误差；6 c 。i 为各过程的非均匀 性和刻度误差。 图2 1 2 量能器的晶体分布示意图 量能器由桶部和端盖两部分组成( 图2 1 2 ) ，以正电子束流为中心轴向，桶部 覆盖角1 4 6 5 0 _ 3 3 5 0 ( c o s 0 0 8 3 ) ，桶部内半径为9 4c m ，内长为2 7 5c m 。端 盖位于对撞点z = 1 3 8c m 区，内半径为5 0c m ，覆盖角从3 2 5 0 一2 1 3 0 ( c o s 0 0 9 3 ) ，总立体角为9 3 4 x ，在桶部和端盖的接合部有5c m 宽的缝隙，用于机械 上的支撑、内部探测器的电缆和冷却管道的通过。桶部晶体排列共有4 4 圈，每 圈1 2 0 块，对撞中心0 向的左右二部分的每圈晶体，除第一圈外，各都指向距对 撞中心5c m 的点，每层的晶体在( p 方向指向中心线有1 5 。的偏移。两个端盖 量能器各由两个半圆环组成，在径向共分为6 层晶体结构，每层晶体各指向距对 撞中心1 0c m 的点。每圈的晶体在( p 方向相对于对撞点旋转1 5 。量能器的桶 部和端盖共有6 2 7 2 块晶体，重约2 4 吨。 2 3 2 5 “子鉴别器 子鉴别器位于b e s i i i 探测器的最外层，它主要包括儿探测器( 阻性板计数 器( r p c ) 2 9 - 3 4 1 ，如图2 1 3 ) 禾1 强子吸收体( 轭铁) 。它的主要功能是测量e + e 一反 应末态中的“子，通过多层测量给出他们的位置和大致飞行轨迹。与内层探测器 的粒子径迹相连接，可精确测量“子的动量并与其它带电粒子( 尤其是) 区 中国科学技术大学博士论文赵力 分开来。 p i c k u ps t r i p b a k e l i t er e s i s t i v i t y1 0 l o 1 0 1 3 n c m 图2 1 3r p c 结构示意图 t ， i ，1 7 ，一，7 ，”，i ，r 一，7 ， j1 jjdi333 图2 1 4 桶部轭铁尺寸和r p c 排布图 鉴别器对子的探测效率一般情况下都可以做到大于9 5 。为了增大“子鉴 别器的覆盖立体角，把“子鉴别器设计为桶部和端盖两部分，以增加其覆盖立体 角。桶部u 子鉴别器的内半径1 7 0c m ，外半径2 6 2c m ，按八边形排列，图2 1 4 为桶部轭铁尺寸和p _ p c 排布图，其桶部采用不同尺寸的长方形r p c 交错排列， 以减小其死区。在超导线圈的外面和第一层轭铁之间铺设第一层r p c ，再往外 面都是吸收铁和r p c 夹层结构，每两层轭铁之间留4c m 缝隙，在缝隙中排列 r p c 。从内到外吸收铁的厚度为3 8c m ，共8 层吸收铁，每层铁的厚度分别为3 、 3 、3 、4 、4 、8 、8 、8c m ，总的吸收铁厚度约4 1c m ，最外层还有一层1 5c m 厚 的保护铁，读出条的宽度为4c m 。 4 0 ti卤翻甲上 中国科学技术大学博士论文赵力 图2 15 端盖子鉴别器结构示意图和r p c 超层剖面图 由于受谱仪整体尺寸的限制，端盖部分只能采用8 层吸收铁和8 层r p c 的 夹层结构。这样端盖部分探测器将比桶部部分探测器少一层r p c 。从内到外每 层吸收铁的厚度分别为4 、4 、3 、3 、3 、5 、8 、8c m 。轭铁的总厚度为3 8 c m 。 最外面有一层5c m 的轭铁作为保护层，每两层轭铁之间和桶部的一样，留4c m 缝隙，在缝隙中排列r p c 。在第一层r p c 里面再加一层4c m 的吸收铁，是因为 在端盖部分里面没有超导线圈部分，而超导线圈部分的物质量相当于大约4c m 的吸收铁，而且这一层轭铁对构成磁场回路，保证磁场均匀度大有好处。 前后向的端盖又各自分成左右两部分分别支撑，并有轨道可以移动向左右分 开，以利于可以随时地容易打开端盖，修理内部探测器。由于吸收体重量较重， 端盖子鉴别器的支撑独立于其它探测器。 端盖部分采用每端四块，每块中间有2c m 的铁以增加其强度。为便于安装 和统一r p c 的规格，每块是由四个直角梯形的r p c 组成( 如图2 1 5 所示) 。 2 4 小结 为了与b e p c i i 高亮度提供的高统计量相匹配，升级改造后的i b e s i i 工探测器 各部件的选择和设计是要满足下面的物理要求： 1 ) 单丝分辨率好于1 3 0u m 的h e 基气体主漂移室； 2 ) 能量分辨率好于2 5 1 g e v 的c s i 量能器； 3 ) 时间分辨率好于1 0 0p s 的飞行时间系统； 4 ) 场强为1 0t e s l a 的超导螺线管磁铁； 5 ) 基于r p c 的探测器系统。 表2 4 给出了b e s i i 和b e s i i i 探测器的比较，可以很明显看出探测器的整体 性能有很大的提高。在后面的章节中，将重点介绍对塑料闪烁体型飞行时间探测 器的研究工作。 中国科学技术大学博士论文赵力 表2 4 探测器参数的比较 探测器系统 b e s i i ib e s i i o x y - - = 130 m2 5 0 ，t m 主漂移室 & p p = 0 6 1g e v 2 4 1 g e v o d e d x = 6 - 7 8 5 电磁量能器 a e 一f e - = 2 5 l g e v2 0 1 g e v c y z = 0 5 c m 1g e v3 c m 1 g e v 6 t = 1 0 0 p s 桶部 18 0 p s 桶部 飞行时间探测器 1 1 0 p s 端盖3 5 0 p s 端盖 子计数器桶部9 层，端盖8 层 3 层 磁铁 1 o t0 4 t 参考文献： 1 h t t p ：、n s l a c s t a n f o r d e d u p u b s s l a c p u b s 6 0 0 0 s l a c - p u b - 6 4 9 9 h t m l 2 h t t p ：c c w w w k e