（物理电子学专业论文）闪烁体tof探测器的测量误差分析和时间修正方法研究.pdf

中国科技大学博士学位论文摘要 摘要 在大型对撞物理实验中，对物理作用过程的研究，是通过探测物理作用的次级粒子来进 行的。为此，首先就要对次级粒子的种类进行鉴别。t o f 探测器的作用是通过测量粒子的 飞行时间得到粒子的本征质量，从而实现粒子种类鉴别。采用塑料闪烁体结合光电倍增管 读出的方法是最常用的t o f 测量技术，并且得到了广泛的应用。在新一代加速器物理实验 中，随着末态粒子能量的提高，对t o f 测量的精度要求已经达到8 0 l o o p s ，传统的t o f 测 量技术受到了严重的挑战。本论文的目的，就是研究如何提高t o f 测量的精度。 在第一章中，我们分析了飞行时间测量精度的影响因素，结果表明，t o f 探测器的本 征时间分辨率是影响t o f 测量精度的主要因素。通过对现有的t o f 探测器的研究表明，塑 料闪烁体t o f 探测器的本征时间分辨率普遍在8 0 p s ，其总时间分辨率普遍在l o o p s 左右。 为可进一步提高t o f 测量的精度，通常有两种可行的方案，双层t o f ，或者采用新型的t o f 探测器一m r p c 。但是鉴于塑料闪烁体t o f 探测器目前仍然是应用最广泛的t o f 探测器， 因此如果能够在现有探测器的基础上，进一步提高其时间分辨率，将是一个非常有意义的课 题。这也是本论文选题的目的所在。本论文将以正在建设中的b e s i i i 的t o f 探测器为例， 研究如何进一步提高t o f 探测器的时间分辨能力。 第二章首先对b e s i i i 的t o f 探测器进行了介绍，然后对探测器输出信号产生的物理过 程的分析，并结合g e a n t 4 对探测器的模拟，分析探测器输出信号的特征。结果表明：( 1 ) 随着击中位置远离光电倍增管，信号的幅度逐渐变小，但是在击中位置接近闪烁体另一端的 时候，又略有增加；( 2 ) 击中位置越远，则p m t 输出的信号越慢，并且信号的形状差异越 大。 第三章对影响t o f 测量精度的各种因素进行了分析，这些因素包括噪声，幅度测量误差， 信号本身的形状、幅度、时间差异。分析结果表明，噪声和信号的形状差异是两个主要的误 差来源。其中，噪声的影响随着甄别闽的降低而增大，而形状差异的影响则随着甄别闽的降 低而减小，为了取得最佳的时间分辨率，必须慎重选择甄别阈。通过对g e a n t 4 模拟结果 的分析表明，甄别阈在2 - - 4 左右的时候，时间分辨率最佳。通过分析还可以看到，信号 的形状差异带来的时间误差对t o f 探测器的本征分辨率有着重要的影响。因此，如果要获得 更高的时间测量精度，在进行时闻修正的时候必须考虑信号形状差异的影响。 第四章介绍了一种利用信号形状进行时间修正的方法。提出了一种采用l a n d a u 曲线对 信号进行拟合，然后用拟合得到的信号幅度和形状参数进行时间修正的方法。通过采用这种 方法，对不同采样率、采样精度的情况下的修正效果进行比较，结果表明2 0 s p s 、7 b i t 有效 位的采样参数下，总的时间分辨率可以达到5 8 p s ，在4 g s p s 、7 b i t 有效位的时的时间分辨接 近5 0 p s 。考虑到实现的难度，我们将2 g s p s 、7 b i t 有效位当作对信号采样的基本要求。 第五章通过对现有的两种高速采样技术，高速a d c 技术和基于开关电容阵列的瞬态波 形采样技术，探讨在t o f 中实现2 g s p s 、7 b i t 有效位采样的可能性。通过从功耗、成本、 系统复杂度等各方面进行比较j 结果表明高速a d c 技术不适台t o f 测量，而基于开关电容 阵列的瞬态波形采样技术则更加有潜力。 第六章中，我们通过对一种基于开关电容阵列的波形数字化芯片，a t w d 的测试，一 方面研究s c a 采样技术的性能，另一方面探讨将s c a 技术用于t o f 测量的方法。针对波 形数字化芯片死时间长的缺点，我们设计了“乒乓”方式，将事例丢失率大大降低。但是 a t w d 芯片仍然不能够用于t o f 测量。其主要障碍有两个：一个是其采样率不够；另一个 是其c o m m o ns t o p 的工作方式，导致必需对信号进行模拟延迟，而集成的模拟延迟芯片会 带来信号前沿的畸变。虽然现有的芯片不能满足需要，从技术发展角度看，s c a 技术的几 个主要障碍，都已经有了相应的解决方案，因此这种技术的应用前景是光明的。 中国科技大学博士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep r i m a r yp u r p o s eo ft h et i m e - o f - f l i g h t ( t o f ) m e a s u r e m e n ts y s t e mi sf o r p a r t i c l e i d e n t i f i c a t i o n ( p i d 、t h ep i dc a p a b i l i t yd e p e n d so nt h et i m er e s o l u t i o no ft o fm e a s u r e m e n t t o fd e t e c t o ro fp l a s t i cs c i n t i l l a t o rw i t hp h o t o m u l t i p l i e rt u b ei st h et r a d i t i o n a lt o fm e a s u r e m e n t m e t h o d ，a n di ss t i l lw i d e l yu s e d n o w a d a y s ，w i t ht h ee n e r g yo f t h ep a r t i c l ei n c r e a s e s ，t h er e q u i r e d t i m er e s o l u t i o nr e a c h e s8 l o o p s w h i c hi sas e r i o u sc h a l l e n g et ot r a d i t i o n a lt o fm e a s u r e m e n t m e t h o d i nt h i sd i s s e r t a t i o n w ew i l ld i s c u s sh o wt oi n c r e a s et h et i m er e s o l u t i o no ft o f m e a s u r e m e n t i nc h a p t e r1 w ed i s c u s st h ej n f l u e n c ef a c t o r so f t l l et o fm e a s u r e m e n tr e s o l u t i o n t h er e s u l t s h o w st h a tf o rs c i n t i l l a t o rt o fd e t e c t o li 协i n t r i n s i ct i m er e s o l u t i o ni sa b o u t8 0 p s b u tt h e j n f l u e n c eo fa l io t h e rf a c t o r si so n l y 5 0 6 0 p s t h i sm e a n st h a t t h em a i nf a c t o rf o rt o f m e a s u r e m e n ti st h ei n t r i n s i ct i m er e s o l u t i o no ft h et o fd e t e c t o r c o m m o n l yt h e r ea r et w o p o s s i b l ew a y s ，d o u b l el a y e rt o e o rn e wt y p eo ft o fd e t e c t o r - - m r p c b u tb e c a u s ep l a s t i c s c i n t i l l a t o ri ss t i l lt h em o s tw i d e l yu s e dt o fd e t e c t o li ti sv e r yi m p o r t a n tt oi m p r o v e 血e p e r f o f i n a n c eo fc u r r e n tt o fd e t e c t o r s t h i sd i s s e r t a t i o nw i l is t u d yh o wt oi n c r e a s e 血et i m e r e s o l u t i o no f s c i n t i l l a t o rt o fd e t e c t o rb yi n v e s t i g a t i n gt h eu n d e r - b u i l d i n gb e s i l lt o fd e t e c t o r i nc h a p t e r2 ，w ei n t r o d u c et h et o fd e t e c t o ro fb e s i i i a f t e rt h a t w ea n a l y z et h e c h a r a c t e r i s t i c so f t h ep m to u t p u tb ya n a l y z i n gt h ep h y s i c sp r o c e s so f t h ed e t e c t o r , c o m b i n e dw i t h g e a _ n t 4s i m u l a t i o no nt h ed e t e c t o r i tc a nb es e e n 血a tt h ea v e r a g ea m p l i t u d eo f t h ep m to u t p u t w i l ld e c r e a s ew i t ht h eh i tp o s i t i o nm o v e sa w a yf r o mt h ep m la tt h es a m et i m e t h ea v e r a g e l e a d i n ge d g et i m ea n dt h el e a d i n ge d g ed i s p e r s i o nw i l li n c r e a s e ，t h i sm e a n st h a tt h ep m to u t p u t s i g n a l sw i l lb e c o m em o r ea n ds l o w e r , a n dt h es h a p ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e s es i g n a l sw i l lb e c o m e m o r ea n dm o r en o t a b l e i nc h a p t e r3 ，w ea n a l y z ea l lf a c t o r st h a tw i l l l n f i u e n c et h et i m er e s o l u t i o no ft o fd e t e c t o r s i n c l u d i n gn o i s e ，s i g n a la m p l i t u d ee r r o r , a n dt h ed i f f e r e n c eo no fp u l s e s s h a p ea n dt i m e w e d i s c u s sh o wt h e s ef a c t o r sa f f e c tt i m er e s o l u t i o n ，a n dp e r f o r r nq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sb a s e do nt h e p m t o u t p u t sg e n e r a t e db yg e a n t 4s i m u l a t i o no nt h eb e s i i i st o fd e t e c t o r t h er e s u l ts h o w s t h a tw h e nt h ed i s c r i m i n a t o rl e v e li n c r e a s e s t h et i m ee r r o ro fn o i s ew i l ld e c r e a s e b u tt i m ee r r o ro f s i g n a ls h a p ew i l l i n c r e a s e t h ed i s c r i m i n a t o rl e v e lb u tb es e l e c t e dc a r e f u l l yt o g e tb e s tt i m e r e s o l u t i o n a n o t h e ri m p o r t a n tc o n c l u s i o ni st h a tt h es h a p ed i f i e r e n c eb e t w e e nt h ep m to u t p u t si s t h em a i ni n f l u e n c ef a c t o ro f t h et o fd e t e c t o r st i m er e s o l u t i o n a n di ti sn e c e s s a r yt oc o n s i d e rt h e i n f l u e n c eo f t h es h a p ed i f f e r e n c ew h i l ep e r f o r m i n gt i m ec o r r e c t i o n i nc h a p t e r4 ，an e wt i m ec o r r e c t i o nm e t h o do nl e a d i n ge d g ef i t t i n gu s i n gl a n d a ud i s t r i b u t i o ni s i n t r o d u c e d t h i sm e t h o dj sa p p l i e dt ot h ep m to a ts i g n a l so fb e s 3 st o fd e t e c t o rg e n e r a t e db y g e a n t 4b yc o m p a r i n gt h et i m er e s o l u t i o no fd i f f e r e n ts a m p l i n gr a t ea n da m p l i t u d er e s o l u t i o n ，t h e r e s u l ts h o w st h a ta t2 g s p sa n d7 b i te n o b ，t h et i m er e s o l u t i o ni sa b o u t5 8 p s ，a t4 g s p sa n d7 b i t e n o b ， t h et i m er e s o l u t i o nc a nr e a c ha b o u t5 2 p sa s4 g s p sa n d7 b i te n o bi sav e r yh i g hr e q u i r e m e n t ，w ec a n c o n s i d e r2 g s p sa n d7 b i te n o ba st h eb a s i cs a m p l i n gr e q u i r e m e n t i nc h a p t e r5 ，w ed i s c u s st h ep o s s i b i l i t yo fr e a l i z i n g2 g s p sa n d7 b i te n o bs a m p l i n gb y i n v e s t i g a t i n gt h et w oh i g hs p e e ds a m p l i n gt e c h n i q u e s ，h i g hs p e e da d c ，a n dt r a n s i e n tw a v e f o r m s a m p l i n gw i t hs w i t c h e dc a p a c i t o ra r r a y ( s c a ) b yc o m p a r i n gt h e s et w ot e c h n i q u e si np o w e r c o n s u m p t i o n ，c o s t s ，s y s t e mc o m p l e x i 吼i tc a l lb ec o n c l u d e dt h a ts c as a m p l i n gi sm o r es u i t a b l e f o rt o fm e a s u r e m e n tt h a nh i g hs p e e da d c i i ! 里型垫查兰堡圭兰垡堡兰 垒! ! ! 翌! ! i nc h a p t e r6 w ei n t r o d u c et h et e s tr e s u l l so fa t w d ，at r a n s i e n tw a v e f o r i f td i g i t i z e rc h i p w e h a v ep u r p o s e s ，t h ef i r s ti st e s t i n gt h ep e r f o r m a n c eo fs c as a m p l i n gt e c h n i q u e ，t h es e c o n di s d i s c u s s i n gh o wt ou s et h i st e c h n i q u ei nt o fm e a s u r e m e n t b yu s i n gp i n g - p o n gm o d es a m p l i n g w es o l v et h ep r o b l e mo fh i g he v e n tl o s sr a t ec a u s e db yl o n gd e a dt i m eo fa t w d t h et e s tr e s u l t s h o w st h a ta l t h o u g ht h ea t w dj sn o ts u i t a b l ef o rt o fm e a s u r e m e n td u et oi t sl o ws a m p l i n gr a t e a n di t sc o m m o n s t o ps a m p l i n gp a t t e m ，t h es c a s a m p l i n gt e c h n i q u ei sp o t e n t i a l l ys u i t a b l ef o r t o fm e a s u r e m e n t i i i 中罔科技人学博l j 学位论文 第一章0 f 吉 第1 章引言 1 1 粒子飞行时间测量的意义 现代高能物理实验中，一个大型对撞物理实验的探测装置通常包括很多各种功能的子探 测器。以美国布鲁克海文实验室的相对论重离子对撞机r h i c 的s t a r 为例( 图1 - 1 ) ，其 采用的探测器包括硅顶点探测器( s v t ) ，一个大型时间投影室( t p c ) 和一个前向径向投影宝 ( r r p c ) ，飞行时间探测器( t o f ) ，电磁量能器( m d c ) ，中央桶部触发器( c e n t r a lt r i g g e rb a r r e l ) 等。其中，s v t 、t p c 和f t p c 构成径迹探测器，e m c 用来测事例的能量，粒子飞行时间 ( t i m e o f - f l i g h t ，t o f ) 探测器用来测量粒子的飞行时间，中央桶部触发器和顶点探测器构成触 发探测器。 图卜1r h i c s t a r 探测器结构示意图 + t o f 探测器( t i m eo f f l i g h t , t o f ) 的作用是测量粒子到达t o f 探测器的时间，刚这个时 间减去对撞发生的时间，就可以得到粒子的飞行时间。t o f 测量的主要用途是粒子种类鉴 别。鉴别的方法是通过测量带电粒子的飞行时间r ，结合由径迹探测器得到的动量p 和飞 行距离，得到粒子的本征质量m 。，鉴别出粒子的种类( 主要为n ，k 和p ) 。 这种鉴别的理论依据是狭义相对论，根据狭义相对论，在已知粒子的飞行距离，和动量 p 的情况下。粒子的飞行时间t 和本征质量m o 之间的关系可以由公式( 1 1 ) 确定 附录a 1 ： ，：上扛丽 口c 在具体的物理数据分析中，是以几率的方式口1 来判断某带电粒子是何种粒子的。假定粒 子为i 粒子( i 为n ，k 和p ) ，其本征质量为m ，则根据己知的动量p 以及径迹长度，可以 根据公式1 - 1 计算出一个期望的飞行时间t ，。如果飞行时间探测器测量得到的某带电粒子的 中国科技大学博士学位论文第一章引言 飞行时间为，t o f 测量的时间分辨率为o ，则该粒子为i 粒子的几率为 2 一垃生 形2 _ ；一e 2 口2 卢，k ，p 2 丌盯 ( 1 2 ) 通过比较w 。、阡t ，阡之间的大小，就可以判断粒子的种类。这种判断方法的准确性 依赖于粒子的飞行时间差以及t o f 测量的时间分辨率。对于特定的粒子，在相同的动量p 和飞行距离，下，测量得到的粒子飞行时间服从高斯分布，分布的期望值为该粒子的理论飞 行时间，分布的统计均方根就是t o f 测量的时间分辨率a 。不同的粒子，其分布的宽度相 同，而期望值不同，它们的分布的重叠区域，被称作误判区，误判区的面积就是发生误判的 几率( 图1 2 ) 。影响误判区面积的因素包括两个，一个是t o f 测量的时间分辨率o ，另外 个是不同的粒子的理论飞行时间之差。粒子的理论期望时间之差越大，t o f 测量的时间 分辨率越高，则误判区的面积越小，探测器的分辨能力越高。在描述粒子鉴别能力的时候， 埔用2o 或者3o 来描述。所谓2o 和3o ，指得是正确率大于9 5 4 和9 9 7 ，其对应的粒 子飞行时间差分别为3 3 8o 和5 6 0o 。 粒子1 的 粒子2 的 期望飞行时问 期望飞行时间 i j 。 义 i f | r 。 图l 一2 粒子的飞行时问分布 通过公式( 卜1 ) ，很容易得到两种粒子的e 行时间之差： a t ：上堡二：im31i “p c p 2 + 知2 + p 2 + m ；c 2 。 从公式( 1 3 ) 可以看出，飞行距离越远，动量越小，粒子的质量差越大，则粒子的行 时间之差越大，系统对粒子的鉴别能力越好。 图卜3 是根据公式( 卜1 ) 计算出来的尸和n2 ，以及旷和n2 的飞行时间差随着动量增 加的变化曲线，其中，是北京谱仪b e s i i i 的桶部t o f 探测器的半径为8 3 c m 。图1 - 4 分 别为2o 和3o 分辨能力时，所要求的时间测量精度随着动量的变化曲线。从图中可以看到， 在8 0 p s 的时间分辨率下，2o 和3o 的分辨能力的动量分剐为大约1 g e v c 和8 0 0 m e v c 。如 果想在更高的动量范围下仍然能够满足要求，则需要进一步提高系统的时间分辨率。 在p 远大于m a 的时候，( 卜3 ) 可以近似为： z ( m ；一肌? ) r u2 _ _ 厂一( 1 4 ) 中国科技大学博i ：学位论文 第一章引言 0 60 日112141 61 82 m o m e n t u m ( g a v c ) 图卜3 粒子的飞行时间差 ( a ) 2a( b ) 3 a 图卜4 不同粒子鉴别能力下的t o f 测量精度要求 就是说，动量增加1 倍，则要求飞行距离增加到原来的4 倍，或者是时间误差降低为原 来的1 4 。提高飞行距离意味着增加t o f 探测器的半径，由于t o f 探测器通常必须放在内层， 因此增加t o f 探测器的半径，就必须增加外面所有探测器的半径，导致成本大大增加。所以， 提高t o f 测量的时间分辨率是提高系统的粒子鉴别能力的唯一途径。 1 2t o f 时间分辨率的影响因素 我们以b e s i i i 的t o f 探测器为例，分析t o f 测量精度的影响因素。b e s i i i 的t o f 探 测器采用闪烁体探测器，其具体情况将在后续章节进行介绍。 t o f 的测量精度由起始时间和结束时间的测量精度所确定。其中起始时间的精度主要 来源于束团时间( b u n c ht i m e ) 的不准确，以及由束团长度( b u n c hl e n g t h ) 带来的对撞时间的不 确定性：而结束的时间则主要取决于t o f 探测器的本征时间分辨率ot o f 、击中位置( h i t p o s i t i o n ) 的精度和电子学测量的精度。总的时间分辨率如( 1 ，4 ) 所示： 盯= 、盯五c h 一咖p + 盯厶曲一t a 坦g t h + 盯云竹+ o d , 一p 吲蛔t + 仃名砷伽脚 ( 1 4 ) 起始时间的确定有两种方式。一种是在对撞中心一定距离的地方设置感应片，当束团经 过的时候，会在感应片上感应出信号，测量这个信号的时间，就可以推断出对撞发生的时间。 一*皂0c喜6 o e l l 中国科技大学博士学位论文 第一章引尚 另外一种方式是提供一个与加速器高频同步的时钟，以这个时钟作为整个时间测量系统的时 间基准，针对特定的事例，通过后处理推断出对撞发生的时刻，例如b e s i i i i j l 和c d f l 4j 。c d f i i 中，由此带来的误差不超过2 5 p s ，b e s i i i 中希望能够控制在2 0 p s 。 由于束团并非一个点，而是有一定的长度，发生对撞的粒子可能处于束团的任何位置， 这个位置的不确定性必然带来时间的不确定性，其最大值由束团的长度所决定。b e s i i i 的 束团长度不确定性为1 5 m m ，对应5 0 p s 的时间不确定性，由于对撞时间是两个束团共同确 定的，因此由此带来的时间误差为5 0 2 3 5 p s 。 结束时间是由飞行时间探测器得到的。从粒子击中t o f 探测器，到探测器产生电信号， 中间需要一系列的物理过程，在此过程中，由于各种因素的影响，会导致击中时间和定时时 间的时间间隔的变化，由此带来的时间误差，称为探测器的本征时间分辨率ot o ，。除此之 外，对于t o f 测量，击中不同位置的事例，其击中时间和信号输出时间之问的时间差可能 有变化，因此在最终需要将击中位置的影响消除。击中位置的定位误差，必然带来额外的时 间误差，记为o 。，。，在b e s i i i 中，定位误差大约为5 m m ，由此带来的时间误差大约为 2 5 p s 。由于最终的时间测量需要由电子学来完成，在此过程中必然引入额外的电子学测量误 差，称为om 。，b e s i i i 的电子学系统设计精度为2 5 p s 。 探测器的时间分辨率是影响t o f 测量精度的最主要因素。以b e s i i i 为例，探测器本征 分辨率外的所有成分带来的总时间误差为：4 2 0 2 + 3 52 + 2 2 5 2 “5 4 p s ，而单层t o f 探测器的本征时间分辨率为8 0 p s ，因此，提高t o f 测量精度的关键是提高t o f 探测器的时 间分辨率。如果要实现8 0 p s 的总体时间分辨率，则要求t o f 探测器的本征时间分辨率为 8 02 5 6 2 * 5 9 p s 。 1 3 提高t o f 探测器时间分辨率的方法 目前常用的提高t o f 探测器时间分辨率的方法有两种：( 1 ) 改进t o f 探测器；( 2 ) 采用 双层t o f 。 闪烁体探测器+ 光电倍增管的方案是传统的粒子飞行时间测量方案，目前仍然被j 。泛采 用。早一些的如8 0 年代的m a r ki i i ”，以及近年来的b e s l l “，c l e o i ”，b e l l e ”，c d f l 3 ， 9 1 等实验的t o f 探测器，都是采用这种方案。正在建设中的b e s i i i 的t o f 探测器采用的也 是这种方案。表1 - l 是一些采用闪烁探测器的t o f 探测器的时间分辨率： 表1 1 一些闪烁体t o f 探测器的时间分辨率 p r o j e c t本征分辨率( p s ) 总分辨率( p s ) m a r k i i i1 7 0 1 9 0 b e s i i1 3 51 8 0 c l e o 1 5 5 b e l l e7 5 1 0 0 c d f 8 01 0 0 b e s i i i 8 01 0 0 从表中可以看到，采用闪烁体探测器的t o f 测量系统，其探测器的本征分辨率至少也 在7 5 - 8 0 p s ，因此系统的总时间分辨率最好的也只有l o o p s 。由于在总的时间分辨率中，探 测器的本征分辨率占有主导地位，因此要提高总的时间分辨率，重点是提高探测器本身的分 辨率。 一种方法是采用双层t o f ，这种方法可以将ot o f 和o 。l 。的影响减小为原来的 1 4 5 ，但是同时也将系统的成本提高了一倍。而对于。b 。h “。、。b 。n c h m 。蚰和。m 。 中国科技人学博l 学位论文 第一章0 【苦 的影响，双层t o f 不会带来任何改进。以b e s i i i 的t o f 探测器为例，如果采用双层闪烁体 探测器，探测器和电子学带来的时间误差为( 8 02 + 2 5 2 ) 2 “5 9 p s ，总的t o f 分辨率约 为8 0 p s 。 图卜5 多气隙电阻板室的结构 另一种途径是采用新型的探测器。近年来，为了满足新一代加速器实验中对粒子鉴别能 力的需求，人们进行了大量的研究，提出了很多新的思想和方法，特别是将气体探测器引入 了t o f 测量。为了提高气体探测器的时间分辨率，人们对各种结构的气体探测器进行了研究 “，例如小间隙多丝室( m g c ) 、平板室( p p c ) 、气体电子倍增管( g e m ) 等。其中在电阻板室 ( r p c ) 的基础上发展起米的多气隙电阻板室( m u l t i g a pr e s i s t i v ep l a t ec h a m b e r ， m r p c ) 。”。“。”，就是一种非常有前景的技术。m r p c 结构如图卜5 所示。m r p c 由一组等间 距平行放置的高电阻率( 1 0 “一1 0 “q c 埘) 电阻板组成，板子间距一般小于0 3 m m ，板子之间 充以负电性气体。最外层的电阻板通过电极平f l 高压相连，在气隙内形成约l o k v m m 的强电场。 电极外覆盖一层绝缘介质，将读出单元和电极隔开。当带电粒子通过m r p c 时，各气隙中产 生的原初电离在电场的作用下产生雪崩放大，产生的大量的电子在强电场的作用下在气隙中 作漂移返动，并在感应电极上产生感应电荷。由于电阻板本身的电位是悬浮的，使得它们对 于雪崩形成的电信号是透明的，因此读出单元上搜集到的信号是各气隙在读出单元上感应出 的信号之和，从而能够保证足够的信号幅度和探测效率。同时，由于层板之间的气隙很窄， 使得电子漂移时间的涨落大大减小，从而提高了时间分辨率。表卜2 是近年来研制的一些 m r p c 的参数。 表卜2 一些m r p c 的性能 文献年份 气隙数 气隙厚度( um )时间分辨率( p s )探测效率( ) 1 3 2 0 0 0 5 2 2 07 0 u s t c 1 4 2 0 0 2 1 02 2 05 09 9 r h i cs t a r 1 5 2 0 0 362 2 06 09 7 a l i c e 1 6 2 0 0 3 1 02 5 05 09 9 通过比较表卜1 和表卜2 可以看到，b l r p c 的性能比闪烁体t o f 性能要好很多，因此m r p c t o p 探测器已经开始在一些大型实验中使用。虽然闪烁体t o f 探测器在时间性能上不如l f i r p c ， 但是作为一种成熟的并且得到广泛应用t o f 探测器，仍然将长期存在。目前正在建设中的 b e s i i i 的t o f 探测器，就是采用闪烁体探测器。由于目前闪烁体t o f 探测器仍然是主流的 t o f 探测器，因此如何在现有探测器的基础上得到更好的时间分辨率，是一个非常有意义的 课题。本论文将以正在建设中的b e s i i i 的t o f 探测器为例，通过对影响t o f 探测器时间分 中国科技大学博士学位论文 第一章引言 辨率的因素进行研究，探讨如何进一步提高闪烁体t o f 探测器的时间分辨率。 参考文献： 【2 】 【3 】3 【5 1 【6 】6 【7 】 【9 】 【l o 【l i 【1 2 】 【1 3 】 【1 4 】 【i 5 】 【i6 】 邵明，”新型粒子探测嚣的研究c m s 电磁量能器钨酸铅晶体性能测试和s t a r 飞行时间谱仪 m r p c 研制”，中国科技大学博士学位论文 谢一冈等，”粒子探测器与数据获取”，科学出版社，2 0 0 3 年7 月 “北京正负电子对撞机重大改造工程b e p c i i 初步设计一b e s i i i 探测器”，中科建筑设计研究院有限责任 公司，2 0 0 3 年l i 月 c hp a u se ta l ，“d e s i g na n dp e r f o r m a n c et e s t so ft h ec d ft i m e o f - i l l g l l ts y s t e m ，n u c l i n s t r m e t ha 4 6 1 ：5 7 9 - 5 8 1 ，2 0 0 1 j sb r w o ne ta l ，“t h em a r ki i it i m e o f - f l i g h ts y s t e m ”，n u c li n s t r m a t h ，2 2 1 ( 1 9 8 4 ) ，5 0 3 - 5 2 2 j z b a ie ta l ，“t h e b e s u p g r a d e ”，n u c li n s t r m a t h ，a 4 5 8 ( 2 0 0 1 ) ，6 2 7 6 3 7 r o yb r i e r e ，”as e l e c t i o no fr e c e n tc l e or e s u l t s ：bp h y s i c s ，s i l i c o nd e t e c t o r , a n dm o r e ”，i n ”p r o c e e d i n g so f t h ex x v is l a cs u m m e ri n s t i t u t eo np a r t i c l ep h y s i c s ：g r a v i t yf r o mt h eh u b b l el e n g t ht o t h ep l a n c kl e n g t h “，s l a c - r - 5 3 8 ( l d i x o n ，e d ) p3 4 2 ， jw n a me ta l ，“ad e t a i l e dm o n t ec a r l os i m u l a t i o nf o rt h eb e l l et o fs y s t e m ，n u c li n s t c m e t h a 4 9 1 佗0 0 2 ) ：5 4 6 8 at i m e o f - f l i g h ts y s t e mf o rc d f ”，t h ec d fc o l l a b o r a t i o n ，c d fn o t e2 5 7 3 s a u l if “h i 曲一r a t ep o s i t i o n s e n s i t i v er a d i a t i o nd e t e c t o r s 1 ，c e r n 2 p p e p 9 4 一1 5 0 a l i c e t o ft d r c e r n p l h c c2 0 0 0 1 2 ec e r r o n z e b a l l o se ta l ，“a n e w t y p eo fr e s i s t i v ep l a t ec h a m b e r ：t h e m u l t i g a p r p c ”，n u c l 1 n s t r m a t h ，a 3 7 4 ( 1 9 9 6 ) ，1 3 2 - 1 3 5 aa k i n d i n o ve ta l ， t h em u l t i g a pr e s i s t i v ec h a m b e ra sat i m e o f - f l i g h td e t e c t o r ，n u c l i n s t r m a t h ，a 4 5 6 ( 2 0 0 0 ) ，1 6 2 2 李澄等，”多气隙电阻板室的时间特性研究”，高能物理与核物理，v 0 1 2 6 ，n o 5 ，m a y2 0 0 2 bb o n n e r , as i n g l et i m e o f - f l i g h tt r a yb a s e do nm u l t i g a pr e s i s t i v ep l a t ec h a m b e r sf o rt h es t a r e x p e r i m e n ta dr h i c ”，n u c l i n s t r m a t h ，a5 0 8 ( 2 0 0 3 ) 1 8 1 1 8 4 d e s p i n ah a t z i f o t l a d o u ，“t h et i m eo ff l i g h td e t e c t o rf o rt h ea l i c ee x p e r i m e n t ”n u c l i n s t f m a t h ，a 5 0 2 ( 2 0 0 3 ) ，1 2 3 1 2 6 1 6 中国科技大学博士学位论文 第二章b e s i i i 的t o f 探测器 第2 章b e s i i i 的t o f 探测器 本章我们将以b e s i i i 的闪烁体t o f 探测器为分析对象，详细分析信号产生的物理过程， 介绍导致信号在形状、幅度、时间等方面出现差异的原因，以及它们可能对时间测量造成的 影响。 2 1b e s i i i 的t o f 探测器 b e s i i i 的t o f 探测器采用“塑料闪烁体+ 光电倍增管”的方案i ”。探测器包括桶部和 端盖两部分。桶部t o f 探测器置于主漂移室和晶体量能器之间，主漂移室的外桶外沿半径 为8 1 0 r a m ，晶体量能器的内半径为9 3 0 m m ，t o f 探测器的塑料闪烁体捆绑于主漂移室外桶 上。整个桶部t o f 探测器由8 8 块塑料闪烁体组成，每块闪烁体长2 4 0 0 m m ，厚5 0 m m 截 面为梯形，总重量约为1 5 吨。 图2 - 1 桶部t o f 的塑料闪烁体 2 9 端盖t o f 厚度为5 0 m m ，共分4 8 块，闪烁体形状为扇形，内径为4 1 0 r a m ，外径8 9 0 m m 。 端盖的塑料闪烁体粘结于端盖量能器上，由于闪烁体的外半径处要为走电缆、气管等留下空 间，所以端盖t o f 的光电倍增管被放置于内半径处。 图2 - 2b e s i i i 的端盖t o f 结构 中国科技大学博士学位论文 第二章b e s i i i 的t o f 探测器 塑料闪烁体选用美国b i c r o n 公司生产的b c 4 0 4 ，和b e s i i 所选用的b c 4 0 8 相比( 表2 - 1 ) ， 这种闪烁体有更大的光产额、更快的上升时间和更小的脉冲宽度，所以具有更好时间性能。 b c 4 0 4 的主要缺点是是其衰减长度比b c 4 0 8 短。但是总的来说，b c 4 0 4 具有更好的时间性 能( 图2 - 4 ) 。 e m h i p 哪 图2 - 3b c 40 4 和b c 4 0 8 的荧光发射时间分布，阴影部分为b c 4 0 4 表2 - 1 ：b c 一40 4 和b c 一4 0 8 的性能比较 b c - 4 0 4b c 一4 0 8 成分聚甲基苯乙烯 折射率 1 5 8 光产额，葸 6 86 4 快成