（理论物理专业论文）besⅢ漂移室加速老化实验研究.pdf

b e sl ii 漂移室加速老化实验研究 摘要 北京谱仪i i i b e s b e i j i n gs p e c t r o m e t e r1 1 1 是运行在北京正负电 子对撞机 b e p c i i 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 ri i 上的一台 大型通用探测器 主漂移室 m a i nd r i f tc h a m b e r 是北京谱仪上最重要的 子探测器之一 由于漂移室制作周期长 造价高 确保其长期稳定工作十 分重要 气体探测器一般都有老化问题 为保证建成后的漂移室能长期正 常运行 因此对漂移室和所选用的工作气体需作老化实验 本文首先介绍了漂移室的基本原理和结构 以及其老化机制和老化相 应的参数表示 介绍了漂移室老化模型的结构和实验的前期准备工作 包 括拉丝 密封 张力和漏电流测量和气体系统 高压系统等 在测量漂移 室模型老化率的老化实验中 我们用1 s s x i o b q5 5 f e5 9k e yx 射线放 射源作加速老化实验 测量了阳极丝电流i 和 f e5 9k e vx 射线全能光 电峰位随累积电荷量q 的变化 由此得到累积相当b e s i i id c5 年全天候 运行的电荷量 0 0 7c c m 后 漂移室小单元的阳极电流降为初始值的8 7 老化率为r 一0 1 9 9 6 m c c m 因此我们认为h e c 矗1 8 6 0 4 0 混合气体的 老化在合理的范围内 就是说 有老化 能接受 5 年后还能工作 为了选择合适的气源 我们对两家不同公司提供的c 凰气体 纯度均 为9 9 9 5 进行了多次测量 未观察到两家的c 凰气有明显的差别 这为 漂移室选择气源提供了根据 为了考证采用不同射线对漂移室老化性能的 影响 我们继而用l o m c i 舯s r 在漂移室老化模型丝的局部部位作加速老化 实验 由此得到累积0 0 7c c m 电荷量后 漂移室小单元的阳极电流降为初 始值的8 4 老化率为r 一0 2 3 m c c m 与用5 审e 的结果可比拟 进一 步验证了漂移室寿命的可靠性 为了研究减小老化的方法 我们在老化室 模型的气体系统中加了水泡泡瓶 结果表明 提高工作气体中的水汽含量不 仅可以抑制漂移室的老化 而且可以治疗已老化的漂移室 使其电流增益 恢复 这为今后解决漂移室的老化问题提供了重要参考 多轮老化试验后 我们发现测出老化率的大小与放射源强度相关 辐照所用放射源强度越大 测出的老化率越小 继而我们讨论了产生此种相关的可能原因 关键词 b e s i i i 漂移室 加速老化 阳极丝电流 全能光电峰位 e x p e r i m e n t a ls t u d yo f a c c e l e r a t e da g i n go fb e s i i id r i f t c h a m b e rp r o t o t y p e a b s t r a c t b e i j i n gs p e e t r o m e t e r l l i b e s i i i i sag e n e r a l p u r p o s ed e t e c t o rl o c a t e di nt h ei n t e r a c t i o n r e g i o na tt h eb e p c 2s t o r a g er i n g w h e r et h ee l e c t r o na n dp o s i t r o nb e a m sc o l l i d e 1 1 1 ed r i f t c h a m b e r d c i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ts u b d e t e c t o r si nb e s i i i i t sv e r yn e c e s s a r yt o e n s u r et h a tt h ed r i rc h a m b e rc o u l dr u nr e g u l a r l ya f t e ral o n gt i m eb e c a u s eo f t h eh i g l le x p e n s e a n dt h el o n gp e r i o do f t h ec o n s t r u c t i o n u s u a l l y t h e r ea r ea g i n gp r o b l e m si nt h eg a sd e t e c t o r s i no r d e rt oe n s u r et h a tt h ed r i f tc h a m b e rc o u l dr u nr e g u l a r l ya f t e ral o n gt i m e i t sn e c e s s a r y f o ru st op e r f o r mt h ea 西n ge x p e r i m e n tb e f o r eb u i d i n gt h ed r i f tc h a m b e r a tf a s t t h cb a s i cp r i n c i p l e s t r u c t u r e a g i n gm e c h a n i s mo ft h ed r i rc h a m b e ra n dt h e a g i n gp a r a m e t e rw e r ed e s c r i b e d t h e nt h es t r u c t u r eo ft h ea g i n gp r o t o t y p ea n dp r e p a r a t o r y w o r ki n c l u d i n gw i r i n g s e a l i n gw i r et e n s i o na n dl e a kc u r r e n tm e a s u r e m e n t g a ss y s t e m h i 曲 v o l t a g es y s t e mw e r ei n t r o d u c e d t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo fa c c e l e r a t e da g i n go fp r o t o t y p e 讲t hr a d i o a c t i v es o u r t t e f e5 9k e vx m y 1 8 5 x1 0 b q w a sd o n e t h ed e p e n d e n c eo f a n o d ec u r r e n ta n df u l le n e r g yp h o t o e l e c t r o np e a ko f f e5 9k e vx r a yo nt h ea c c u m u l a t e d qw a sm e a s u r e d w h e nt o t a lc h a r g eq o 0 7 c e mi sa c c u m u l a t e d e q u i v a l e n tt o5o p e r a t i o n y e a r so fb e s i i id r i f tc h a m b e r t h ea n o d ec u r r e n ti s8 7 o fp r i m a r yv a l u ea n da g i n gr a t i o r 0 1 9 m c c m f o rs m a l le e l lw a sm e a s u r e d s ow eb e l i e v et h a tt h ei c o p e r a t e dw i t h h e c 3 h 8 6 0 4 0 i nt h eb e s m w o u l ds u r v i v et h el a r g ed o s e se x p r z t e da tf u t u r eb e p c i ia tl e s t 5y e a r si ns p i t eo f t h ea g e i n g i no r d e rt oc h o o s et h ea p p r o p r i a t ep r o p a n ef o rd r f tc h a m b e r w eh a v et e s t e dd i f f e r e n t c 3 h 8s u p p l i e db yt w oc o m p a n i e s aa n db w ed i dn o to b s e r v ea n yo b v i o u sd i f f e r e n c e si n a g i n gr a t ea to u rl e v e lo fa c c u r a c y t 1 1 i sp r o v i d e st h er e f e r e n c e sf o ru s t oc h o o s et h ep r o p a n e f u r t h e rm o r et h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo f a c c e l e r a t e da g i n go f p r o t o t y p ew i t l lr a d i o a c t i v es o u r c e l o m c i 娜s r f lr a yw a sd o n e w h e n t o t a lc h a r g eq o 0 7 c e mi sa c c u m u l a t e d t h ea n o d ec u r r e n t i s8 3 o fp r i m a r yv a l u ea n da g i n gr a t i or 0 2 3 m c c m f o rs m a l lc e l lw a sm e a s u r e d 1 r i 垃r e s u l t sa l es i m i l a rt ot h er e s u l t so f f e5 9k e vx r a y i te u s u r e st h er e l i a b i l i t yo f t h ed r i f t c h a m b e rf u r t h e rm o r e i no r d e rt op r e v e n tt h ea g i n go f t h ep r o t o t y p ew ea d d e daw a t e rb u b b l e ri no u rg a ss y s t e m a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tn o to n l yt h ew a t e rv a p o re a r lp r e v e n tt h ea g i n gp r o g r e s sb u ta l s oi t c a nh e a lt h ea g e dc h a m b e r t h i sp r o v i d et h er e f e r e n c e sf o ru st oh e a lt h ec h a m b e rw h e n n e c e e s s a r y a f t e rr e p e a t e ds e v e r a lt i m e sa g i n ge x p e r i m e n t s t h ed e p e n d e n c eo fa g i n g 眦o n t h es o u r c ea c t i v i t yw a so b s e r v e d t h ep o s s i b l eu n d e r s t a n d i n gf o rt h i sd e p e n d e n c ew a s d i s c u s s e d k e yw o r d s b e s i i i d r i f tc h a m b e r a c c e l e r a t e da g i n g a n o d ec u r r e n t f u l le n e r g y p h o t o e l e c t r o np e a k 图目录 图1 1 北京正负电子对撞机示意图 3 图1 2b e 尸 c 的双环结构 图1 3b e s i i i 侧向示意图 图2 1 漂移室总体结构图 7 图2 2 单元结构示意图 8 图2 3 雪崩放电中的一些化学过程的简单模型 1 l 图3 1 用于放射源加速老化实验的漂移室模型端面板定位子示意图 1 2 图3 2 用放射源加速老化实验 一 1 2 图3 3 左端面板的示意图 图3 4 定位子结构示意图 1 4 图3 5 静电共振法张力测量装置示意图 1 5 图3 6 老化模型气体系统框图 1 7 图3 7 老化模型高压连线图 1 8 图3 8 数据采集程序取数界面和数据库界面图 图3 9 阳极丝全能光电蜂采集框图 1 9 图3 1 0 典型的5 5 f e x 射线能谱图 2 0 图4 1 用于放射源加速老化实验的漂移室模型端面板定位子示意图 2 1 图4 2 强辐照下大 小单元的阳极丝电流随气体流量的变化曲线 2 3 图4 3 强辐照下进 出气口正比计数器光电峰位随气体流量的变化曲线 2 3 图4 4 强辐照下进 出气口正比计数器光电峰位比值随气体流量的变化曲线 2 3 图4 5 大 小漂移单元阳极丝电流随辐照时间的变化 2 4 图4 6 大 小漂移单元阳极丝电流随累积电荷量的变化 2 5 图4 7 大 小单元5 5 f e5 9k e vx 射线的光电峰位随累积电荷量的变化 2 6 图4 8 未经辐照阳极丝表面放大3 0 0 0 0 倍的电子显微摄影照片 2 6 图4 9 经辐照后阳极丝表面放大3 0 0 0 0 倍的电子显微镜照片 一2 6 图4 1 0 未经辐照场丝表面放大3 0 0 0 0 倍的电子显微摄影照片 2 6 图4 1 1 经辐照后场丝表面放大3 0 0 0 0 倍的电子显微镜照片 2 6 图4 1 2 未经辐照信号丝表面放大3 0 0 0 0 倍的电子显微摄影照片 2 6 图4 1 3 未经辐照信号丝表面能谱成分分析结果 2 6 图4 1 4 经辐照后阳极丝表面放大3 0 0 0 0 倍的电子显微镜照片 2 6 图4 1 5 经辐照后阳极丝表面沉积物能谱成分分析结果 2 6 图5 1 憋r 口射线辐照老化模型示意图 3 0 图5 2 强辐照下大 小单元的阳极丝电流随气体流量的变化曲线 3 0 图5 3 强辐照下进 出气口正比计数器光电峰位比值随气体流量的变化曲线 3 0 图5 4 大 小漂移单元阳极丝电流随辐照时间的变化 3 2 图5 5 大 小漂移单元阳极丝电流随累积电荷量的变化 3 3 图5 6 大 小单元辐照点和参考点 f ex 射线的光电峰位随累积电荷量的变化 3 3 图5 7 经校正的大 小单元辐照点5 5 f ex 射线的光电峰位随累积电荷量的变化 3 4 图5 8 经辐照后的大单元信号丝放大5 k 倍的照片 3 5 图5 9 经辐照后的小单元信号丝放大5 k 倍的照片 3 5 图5 1 0 经辐照后的大单元信号丝放大1 0 k 倍的照片 3 5 图5 i l 经辐照后的小单元信号丝放大5 0 k 倍的照片 3 5 图5 1 2 经辐照后大单元阳极丝表面放大5 0 0 0 倍的电子显微镜照片 3 5 图5 1 3 经辐照后大单元阳极丝表面沉积物能谱成分分析结果 3 5 图5 1 4 经辐照后小单元阳极丝表面放大5 0 0 0 倍的电子显微镜照片 3 5 图5 1 5 经辐照后小单元阳极丝表面沉积物能谱成分分析结果 3 5 图6 1 老化模型气体系统改进框图 3 8 图6 2 阳极电流随辐照时间的变化 3 9 图6 3 阳极电流随累积电荷量的变化 3 9 图6 4 全能光电峰位随累积电荷量的变化 4 0 图6 5 阳极电流随累积电荷量的变化曲线 4 0 图6 6 全能光电峰位随累积电荷量的变化曲线 图6 7 大 小漂移单元阳极丝电流随辐照时间的交化 4 2 图6 8 大单元阳极电流随累积电荷量的变化曲线 4 2 图6 9 小单元阳极电流随累积电荷量的变化曲线 4 2 图7 1 阳极丝电流法大单元老化率与源强的关系 一4 4 图7 2 阳极丝电流法小单元老化率与源强的关系 4 4 图7 3 光电峰位法大单元老化率与源强的关系 一 4 4 图7 4 光电峰位法小单元老化率与源强的关系 图7 5 光电峰位法大单元老化率与初始电流的关系 4 5 图7 6 阳极丝电流法大单元老化率与初始电流的关系 4 5 表目录 表3 l 漂移室用丝参数表 1 4 表3 2 老化模型丝的张力表 1 6 表4 1 实际流速与面板值的关系 2 2 表4 2 历次老化试验的结果 2 6 表4 3 未经辐照信号丝表面元素含量 2 8 表4 4 经辐照信号丝表面沉积物元素含量 2 9 表5 l 经辐照大单元信号丝表面沉积物元素含量 3 6 表5 2 经辐照小单元信号丝表面沉积物元素含量 3 7 表7 1 历次老化试验的结果 4 3 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明 所里交的学位论文是在导师指导下完成的 研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容 除已注明部分外 论文中不包含其他人已经发表过的研究成果 也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容 对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体 均已在论文中明确说明并致谢 论文作者签名 彩蔹籽 学位论文使用授权说明 弘田年6 肌 b 本人完全了解广西大学关于收集 保存 使用学位论文的规定 即 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版 并提供目录检索与阅览服务 学校可以采用影印 缩印 数字化或其它复制手段保存论文 在不以赢利为目的的前提下 学校可以公布论文的部分或全部内容 请选择发布时间 口即时发布口解密后发布 保密论文需注明 并在解密后遵守此规定 论文储躲湘蛐导师虢儆密 中6 月夕日 广西 叫煳士掌位论文b e s iii 瀑穆室加速老代蜜验研究 1 1 高能物理的概述 第一章课题研究背景 高能物理 又称粒子物理 1 是以物质的最小组成单元的性质及其相互作用规律作 为研究对象的一门前沿学科 由于粒子物理研究和揭示物质的最小结构 所以它是很多 理论学科和应用学科的基础 因此粒子物理是世界前沿学科的热点之一 由于万物都是 由微观粒子构成的 所以了解和掌握微观粒子的基本特性和运动规律 是进一步研究宏 观世界的基础 多年来粒子物理学的发展给人们认识这个世界提供了一个全新的视野 使人们对物质结构的了解进入到夸克层次 人类的认识有了一个新的飞跃 高能物理的 发展把人类带入了一个前所未有的神奇世界 给人类带来了新的时空观和宇宙观 高能物理的研究大体上可以分为理论和实验两大部分 高能物理的基本理论是标准 模型 1 它包括两方面的内容 一是有关电磁力和弱力的统一理论 即格拉肖一温伯格 一萨拉姆 电弱统一理论 二是揭示夸克内部特性及其相互作用规律的 量子色动力 学 q c d 理论 虽然它是现在粒子物理学中最成功的理论 但它无法确定其中作为基 本物理量的一些模型参数 这些参数必须由实验来确定 另外 标准模型作为一门理论 需要对物质世界作一些前瞻性的预言 以利于人们更深入的了解这个世界 同时也可以 通过对这些预言的验证来检验理论的准确性 因此从实验方面来确定标准模型的基本参 数和对标准模型的预言作精确的检验是粒子物理学的重要课题 几十年来 标准模型中 的电弱统一理论部分和量子色动力学的微扰部分 指在短距离时可以应用微扰论进行计 算的这部分 称微扰q c o 经受住了全世界高能物理领域大量实验的检验 标准模型理 论中的1 9 个自由参数带来了诸多问题 如它对引力的忽略 它不能解释 代 的成因 和质量的起源等一些基本的问题 这些问题需要进一步深入探索 这使得高能物理学向 着两个方向发展 一是做超越标准模型的尝试 二是在高能量 高精度条件下 对标准 模型做精密检验 这两者都期待着新的机遇和新的突破 高能物理实验主要包括三个部分 粒子源 探测器和数据分析 所谓粒子源 就是 提供高能粒子的工具 有两类 自然存在的宇宙线和人类自己制造的加速器或对撞机 探测器是用来在实验中探测和鉴别粒子的存在 测量与考察其性质的仪器 把从探测器 获取的数据和信息记录下来 进行数据分析从而得出我们需要的结论及数据分析 1 2 粒子加速器和对撞机的现状及发展趋势 加速器是一种复杂而又昂贵的人工粒子源 是粒子物理学研究的一个最重要的武器 它利用电磁场将带电粒子束 如电子 正电子 质子等 加速到很高的能量与物质发生 相互作用 以此研究物质内部的结构 粒子加速器的必要性表现在加速器产生的束流的 b e s i i i 瀑移室加趣老化实齄研究 能量越高 波长越短 就越能深入到物质内部去获得更多的信息 这也是要求加速器的 能量越来越高的原因 最早的粒子加速器产生于二十世纪3 0 年代初 为了物理学家研究原子核和物质深层 结构而制造 1 9 3 2 年 美国伯克利大学建造了第一台 回旋加速器 并利用它得到了 中子束流 同时还发现了人工制造的放射性同位素 1 最早的加速器是 直流高压型加 速器 这种加速器的能量受到击穿电压的限制 为了克服直流高压型加速器粒子能量 增长受限的缺点 发明了 回旋加速器 但是回旋加速器的磁铁体积相当庞大 给制 造 运输和使用造成了诸多不便 因此又发明了 同步加速器 弱聚焦加速器 真空 盒界面很大 限制了能量的进一步提高 导致了 强聚焦加速器 的出现 在 环形加 速器 中 特别是电子环形加速器中 存在同步辐射能量损失 因此阻碍了环形加速器 向更高的能量推进 从而促进了 直线型加速器 的发展 另外 常规磁铁 高频枪的 功率损耗限制了加速器向超高能发展 这又促进了超导技术在加速器中的应用 对撞机就是让粒子实现对撞的机器 它的结构与同步加速器相似 6 0 年代末出现的 对撞机 利用两束相对运动的粒子束对撞 大大提高了对撞机的有效作用能量 同时由 于其它的一些新技术的应用 都使得对撞机在粒子物理研究中成为一种占主导地位的研 究工具 对撞机的一个特点是 其亮度强烈地依赖于工作能量 目前世界上的对撞机正 朝着两个方向发展 一种是将能量提高 例如欧洲核子中心 c e r n 的大型强子对撞 机l h c 的能量是1 4 t e v 希望能发现更重的新粒予以及在超高能区发现超出标准模型 的突破口 另一种则是提高精度 进行高统计性和小系统误差的测量 检验标准模型 要进行精确测量 必须要求高统计事例 高亮度加速器 高性能探测器 小系统误差 虽 然能量不变 但增加加速器的亮度 提高探测器精度 往精密测量上发展 例如美国斯 坦福直线加速器中心 s l a c 新建成的 b 介子工厂 这类 工厂 的亮度要比正在 运行的同类加速器增加一百倍左右 同时探测器的指标也有很大的提高 这些对撞机的 显著特点就是亮度高 以l h c 为例 它的设计亮度为l 5 1 0 c m s l b e p c 的设计 亮度为1 7 x1 0 3 1 c m 2 s 所谓亮度是指单位时间 单位反应截面下产生的某种粒子 的数目 亮度越高 则对撞产生的粒子反应事例率越高 对e e 对撞机而言 亮度即e e 对撞数 c m 2 s 记为l 而在一段时间内累积的亮度 即积分亮度f l d t 单位为c m 2 j 另外这些对撞机的一个特点就是为了达到高亮度而采用多束团和短对撞周期技术 对撞 机赢得了有效作用能 但要获得能够与固定靶加速器相比拟的粒子事例数 就必须提高 其对撞亮度 对撞机的亮度强烈的依赖于工作能量 世界上在不同的能区各有在亮度上 占领先地位的对撞机 全世界历史上运行过的高能加速器 高能与中能是以3 g e v 即3 0 亿电子伏特为界 限的 共有二三十台 目前正在运行的有十多台 不同的对撞机工作在不同的能区 有 各自的研究对象和研究任务 同时相互之间又有分工与合作 互相补充 共同促进着全 世界高能物理的发展 2 广西大掌司l 士掌位论文 b e s i i i 瀑移室加速老化实验研究 1 3 北京正负电子对撞机 b e p c 与北京谱仪 b e s 北京正负电子对撞机 b e p c 是中国第一台高能粒子加速器 于1 9 8 8 年l o 月建 成 1 北京谱仪 b e s 伽则是工作在北京正负电子对撞机上的大型通用磁谱仪 用于 2 8 5 6 g e v 能区的高能物理研究 北京正负电子对撞机和北京谱仪目前是国际上工作在 t 粲能区唯一的高亮度正负电子对撞机和先进探测器 1 9 9 0 年运行以来已得到一批在 国际高能物理界有影响的研究成果 例如 t 轻子质量世界上最精确的测量 d s 粒子 衰变常数的首次与模型无关的直接测量 j q 粒子共振参数的精确测量 胶子球候选者 2 2 3 0 新衰变道的发现 l l 2 s 衰变到矢量一张量介子末态相对于j v 的反常压制 的首次观测 l i 2 8 与妒粒子衰变的系统性研究 d s 衰变为叩 末态分支比和赝标衰变 常数的首次绝对测量等 对粒子物理的基本理论的精密检验和进一步的发展具有重要意 义 对标准模型的检验作出重要的贡献 近期完成了2 g e v 到5 g e v 能区r 值扫描数据 取数和分析 对粒子物理标准模型中唯一尚未找到的粒子 r h i g g s 希格斯 粒子的寻 找具有重要意义 1 3 1 北京正负电子对撞机 b e p c 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 是我国为发展高能物理事业 而建造的 是国家重点科研工程 也是目前世界上唯一运行在粲物理能区的对撞机 1 9 8 4 年l o 月7 日破土动工 1 9 8 8 年1 0 月1 6 日完成第一次对撞 它由2 0 2 米长的电子直线 加速器和周长为2 4 0 米的储存环组成嘲 围1 1 北京正负电子对撞机示意图 建造b e p c 的主要目的有两个 一是进行高能物理实验 通过探测正负电子对撞产 生的末态粒子的性质进行基本粒子及物质基本结构的研究 二是利用电子或正电子所发 射的同步辐射光 进行凝聚态物理 生物 化学 医学 表面物理 微电子 光刻 等 学科的科学研究及应用工作 b e s i i i 瀑移室加速老化实验研究 北京正负电子对撞机主要由注入器和存储环两部分组 如图1 1 所示 注入器是一 台能量为1 1 1 5 5 g e v 的电子直线加速器 总长为2 0 2 米 它包括预注入器 正电子 捕获节以及主加速段 前端的预注入器包括强流电子枪 可将电子加速到3 0 m e v 正 电子是由1 5 0 m e v 的电子束打钨靶产生 正负电子在直线端被加速到1 1 1 5 5 g e v 然 后沿相反方向分别注入储存环并被加速到所需的能量进行对撞 储存环是一个跑道形的 环形加速器 中心轨道周长为2 4 0 4 米 两个直线端中点分别为第一 第二对撞点 实 际运行中只有安放在第一对撞点上的北京谱仪在工作 从1 9 9 4 年到1 9 9 6 年 b e p c 和b e s 同时进行了升级改进 改进后的北京谱仪称为 北京谱仪i i b e s i i b e p c 的直线加速器能量从1 3 g e v 提高到1 5 5 g e v 可以实 现j v 的全能量注入 从而提高了对撞机的积分亮度 b e p c 改进后 峰值亮度提高到 原来的1 5 倍 本底大大降低 目前 高能物理研究所正在进行b e s i i i 和b e p ci i 的升 级改造工作 b e p ci i 的存储环将采用双环方案 即在b e p c 现有的储存环内建造一个 新的储存环 如图1 2 所示 新建的内环与现有的外环在南北两个对称点相互交叉 正 负电子束团各走半个内环和半个外环 在北交叉点s r 处正 负电子束团交叉通过 在 南交叉点口处实现对撞 这样有利于提高束团亮度 在质心系能量3 7 7 g e v 时达到 3 1 0 x 1 0 3 2 e m 2 s 1 b e p ci i 双环方案中环束团是连续的 每个束团的时间间隔为 n s 图1 2b e p c h 的双环结构 升级之后 b e p c i i 的亮度将较之b e p c i 提高约1 0 0 倍 在j v 能量点达到1 0 3 3 c n l 2 s 1 这样一来 系统偏差会大幅度减小 b e p ci i 的建造将使我国继续拥有世界上在该能区 性能最好的高能物理实验装置 预期在j v 能区亮度将是c e s r 的2 7 倍 b e p c1 i 的 物理目标是在p 粲能区进行精确测量 为我国在今后相当长的时期内继续保持p 粲物理 研究的国际领先地位 取得更多更高水平的重大物理成果奠定基础 1 3 2 北京谱仪 b e s 北京谱仪 1 是我国自行设计和研制的大型粒子物理实验装置 由多种子探测器组合 4 广西大掌硕士掌位诧 文b e s i i i 善移室加追老化蜜齄研究 而成 从束流管向外 依次为顶点室 v e r t e xc h a m b e r 漂移室 d r i f tc h a m b e r 桶部飞 行时间计数器 b a r r e lt i m eo f f l i g h tc o u n t e 0 桶部簇射计数器 b a r r e ls h o w e rc o u n t e r 磁铁线圈 m a g n e t c o i l 轭铁和 l 子鉴别器 f l u x r e t u r n y o k e hi d e n t i f i e r 以及沿柬 流管方向的端盖飞行时间计数器 e n d c a pt o f 和端盖簇射计数器 e n d c a ps c 还有在 小角度上放置的亮度监测器 l u m i n o s i t ym o n i t o r 等 谱仪长约6 米 宽和高各约7 米 总重约4 8 0 吨 此外 还有磁铁电源系统 m a g n e tp o w e rs u p p l y 气体供给系统 g a s s y s t e m 高压供电系统 h v p o w e rs u p p l y 环境参数监测系统 e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g s y s t e m 以及数量庞大的读出电子学系统 r e a d o u te l e c t r o n i c s 触发判选系统 t r g g e r n g s y s t e m 在线计算机数据获取系统 o n l i n ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m 和离线计算机数据 处理软硬件系统 o f f l i n ec o m p u t e rh a r d w a r e s o l r a r e 等 其工艺复杂 加工精度高 是我国当代高新技术集合的产物 整个谱仪性能优良 对e e 对撞产生的大量末态带电 粒子 e 1 1 n k p 有较高的动量分辨率和时间分辨率 对电子 e 和光子 y 有较高的能量 分辨率 对p 子有较强的鉴别能力 是对撞机上第三代大型粒子谱仪的典型代表 北京谱仪运行十余年来 获取了一大批高质量的实验数据埘 如 获取了约9 百万 v 数据 4 百万v 2 s 数据 s 4 0 3 g e v 质心系能量下2 2 3 p b l 的d s 数据 以及 s 3 5 5 g e v 质心系能量下约5 p b 1 的t 质量测量扫描数据 在b e s i i 上获取了2 5 g e v 全 能区的r 值测量扫描数据 以及5 千万j 1 l r 数据 其中j 1 i v 2 s 和d s 数据都是目 前世界上该能区最大的数据样本 是北京谱仪运行十余年来的宝贵财富 根据以上所得 数据 通过科学的计算 已经取得了重大的成就 如 1 t 质量的精确测量 相对于以前其它实验的测量 其中心值移动了3 0 误差减小 了l o 倍 这个结果解除了当时对轻子普适性的疑虑 证实t 的确是一个如标准模型所描 述的正常轻子 2 2 5 g e v 能区的r 值精确测量 该测量将以前的误差减小了2 3 倍 获得了较高 的h i g g s 质量预期值 与l e p 上直接寻找h i g g s 的结果更加符合 同时 它也减小了 子反常磁矩g 2 的q e d 预言误差 对b n l 最新的g 2 实验具有重要的影响 3 v 2 s 衰变的研究 首次观测到l l 2 s 和轴的若干新衰变道 如v 2 s c x 和重子 反重子对等 确认了v 2 s 到p 7 k 8 9 2 k 一 c c 道的矢量 赝标量压低 在国龟 p a 2 k 8 9 2 k 1 4 3 0 托 c 和巾f 2 衰变道首次观测到矢量 张量压低 在叩 护 k k 8 9 2 1 c c 和k o 量1 8 9 2 e c 衰变道观测到较大的同位旋破坏效应 4 在纯轻子衰变中的衰变常数缸的直接绝对测量 f d 一 4 3 0 1 5 0 1 3 0 士4 0 m e v 5 j v 衰变的研究 b e s i 与b e s i i 的许多测量结果已发表 粒子数据表上的许多记 录被刷新 但是现在正在运行的b e si i 所采用的基本上是2 0 年前的技术 其性能有以下不足 之处 电磁量能器的能量分辨率较低 覆盖立体角偏小 端盖的打开比较困难 端盖探 测器的动量和飞行时间测量不好等 因此为了适应b e p ci i 高计数率运行的要求 北 f 西大掣嘎士掌位论文 b e s iii 摹移室加追老化窖验研究 京谱仪将重新设计建造 成为b e si i i 以提高其测量精度 减少系统误差 从2 0 0 1 年 开始 北京正负电子对撞机b e p c 及其探测器北京谱仪b e s 2 开始升级为b e p c i 和b e s i i i 1 b e p c i i 的亮度较之b e p c i 将提高约1 0 0 倍 在j 1 i r 能量点达到1 0 3 3 c m 2 s 1 这 样一来 统计误差会大幅度减小 需要改进系统误差与之相匹配 因此为了适应b e p c i i 高计数率运行的要求 因此 必须建造一个采用现代技术的新型探测器b e s i i 以满 足如下要求 1 非常好的光子能量分辨率 好的角度分辨率和光子识别 c s i 晶体量能器即是最 好的选择之一 2 精确测量低动量带电粒子的四动量 h e 基气体的漂移室为最好的选择之一 3 好的强子识别能力 切仑科夫探测器和飞行时间系统均满足我们要求 4 基于流水线技术的前端电子学系统可适应多束团模式及现代数据获取系统 图1 3 给出了新一代北京谱仪b e s i i 设计方案的侧向示意图 它由如下各部分组成 田1 3b e s i i 侧向示意图 1 单丝分辨率好于1 3 0 i t r n 的h e 基气体漂移室 c 2 能量分辨率好于2 5 l g e v 的c s 量能器 3 时间分辨率好于l o o p s 的飞行时间系统 4 场强为1 0 t e s l a 的超导螺线管磁铁 5 基于r p c 的p 子室系统 j 西大掌司e 士掌位论文 b e s i i i 漂移室加速老化蜜验研究 第二章漂移室及其老化效应 b e s i i 漂移室 d c 位于谱仪最内层 是北京谱仪中测量粒子径迹 分辨粒子 测 量动量的主要探测器 它是一个大型圆筒形探测器 本章主要介绍漂移室的基本原理 结构以及其老化机制和老化效应的参数表示 2 1 漂移室的基本原理及结构 漂移室的基本原理 快速带电粒子穿过漂移室 与漂移室内的气体原子相互作用 使其激发或电离 同时自身损失部分能量 这样在入射粒子飞行径迹上会产生一系列的 电离电子 电离电子在漂移室内的电场作用下向具有确定位置的阳极丝产生宏观漂移运 动 到达阳极丝表面附近后在强电场下产生气体放大 并输出信号 测量出电离电子的 漂移时间并结合电子在气体中漂移距离和漂移时间的关系便可以得到入射粒子径迹的 位置信息 如果气体放大处于正比模式 则信号电荷量还包含了入射粒子能量损失信息 漂移室的工作涉及三个基本物理过程 带电粒子引起气体电离 电离电子在气体中的漂 移 扩散和吸附以及气体放大和信号产生 b e s i i i 的物理目标为z 一粲能区的精确测量和新物理的寻找 它要求精确高效地重建 e p 一反应的遍举末态 这对作为中心径迹探测器的漂移室提出了严格要求 漂移室是 b e s i i i 探测器的最内层探测器 它在北京谱仪中的作用主要有以下几项 1 确定并 禊4 量带电粒子的径迹 2 测量带电粒子的动量 3 测量带电粒子的能量损失和对粒 子进行鉴别 主漂移室与b e p c i i 的束流管相邻 考虑到束流管对撞区的高本底对漂移 室寿命的影响和束流管等部件的安装方便 b e s i i id c 分成两部分 内室和外室 外室 又分为台阶部分和平板部分 外端面板 内室设计成无外桶的开放型室体 如图2 1 所示 图2 1 漂移室总体结构图 7 广西 蝴士掌位论文b e s i i i 瀑移室加速老化实齄研究 b e s i i i 的漂移单元基于小单元设计 在每个小单元中 信号丝位于单元的中心位 置 四个顶点和四边中点均为场丝 相邻单元共用场丝 接近于方格分布 如图所示 小单元漂移距离小 漂移时间短 提供触发信息快 死时间小 适合在高计数率条件下 工作 电子扩散的贡献小 可以得到较好空间分辨 电荷积累少 有较长的工作寿命 单元排列紧密 可以没有测量死区 所以d e d x 分辨会更好 单元尺寸小 可在有限的 空间内保证足够的测量次数 图2 2 单元结构示意图 岳s e l l s ew i r e of i e l dw i r e 为了保证每个单元电场的一致性 单元的高宽之比接近于1 即单元形状接近正方 形 这样使得单元内部的电场沿各个方向都基本一致 从而达到单元内电子漂移各向同 性的目的 内室的单元半宽 场丝与信号丝之间的距离 平均值为6 哪 其主要考虑是 在有限的半径范围内多安排丝层 外室单元半宽平均值为8 i m 在丝层安排上 m d c 共有4 3 个信号丝层 1 至8 层为斜丝 其中1 4 为负角斜丝 5 8 为正角斜丝 属 内室部分 9 到2 0 层为直丝 属外室台阶部分 2 1 至3 6 层又为斜丝 其中2 1 2 4 2 9 3 2 为负角斜丝 2 5 2 8 3 3 3 6 为正免斜丝 属外室大端板部分 最后3 7 到4 3 层 为直丝 仍属大端板部分 另外 m d c 丝层安排的一个特点是 相邻两斜丝层共用场丝 而斜丝层与直丝层则各有自己的场丝 2 2 漂移室的主要性能 漂移室的性能包括很多方面 主要有 探测效率 漂移距离与漂移时间的关系 空 间分辨 d e d x 分辨以及动量分辨等 不同的应用场合对漂移室的性能要求和侧重点也 会不一样 其主要性能指标如下 2 2 1 探测效率 探测效率被定义为所探测到的粒子数n 与实际入射粒子数n 之比 它表征了漂移室 对入射粒子的灵敏度 漂移室的探测效率与所加的工作高压 所使用的工作气体 入 射粒子的位置和角度 电子器件门宽 计数率的大小以及电子器件的甄别阈有关 探测效率与工作电压的关系称为效率坪曲线 在坪区漂移室对最小电离粒子的探测 效率一般都大于9 9 但是在高计数率时由于空间电荷的存在漂移室的探测效率也会降 低 3 审o o o 命o o o 命o o o 令o o o 审o o o 令o o o 令o o o 争o o o 令o o o 争o o o 审o o o 命o o o 咿o o o 审o b e s i i i 瀑移室加追老化蜜验研究 2 2 2 漂移空间和漂移时间的关系 入射粒子在漂移室中的空间位置是通过测量漂移时间得到的 漂移距离时间有关系 式s w t d t 如果在一个漂移单元内w t 为常数 则s t 有简单的线性关系 漂移电场分布 工作气体成分 温度 压力以及工作电压等都会影响漂移距离与漂移时 问关系 由于线性关系对于处理数据比较方便 有利于获得好的空间分辨 这就要求在 设计时使漂移电场尽可能均匀 选用适当的工作气体使漂移室工作在漂移速度的饱和 区 漂移室工作时的环境温度 工作电压 气体成分保持稳定以及防止外界电磁场的干 扰等 实际上并不一定能完全满足以上要求 漂移速度也往往不是常数 这时漂移距离 与漂移时间不具有简单的线性关系 通常漂移距离与漂移时间关系由离线刻度得到 并 定期更新 2 2 3 空间分辨率 空间分辨率是漂移室最重要的性能指标之一 它表示的是室对人射粒子空间位置确 定的精确度 它代表了漂移室把空间上靠得最近的两根径迹区分开来的能力 通常用漂 移室内入射径迹定位偏差分布的标准偏差来表示 设粒子入射到室内的坐标为x 由于 种种原因实际测得的空间坐标是x 7 实测坐标与真正坐标之间的误差是a x x x 对于 每一个在相同位置上入射的相同粒子 x 的值都不同 也就是说它有一定的分布 我 们把a x 分布曲线半高度处的全宽度称为漂移室的空间分辨率 根据c l e o i i i 漂移室的 结果 a x 1 3 0 a m 是完全可以达到的 2 2 4d e d x 分辨 d e d x 分辨即是d e d x 测量中的相对误差 由于单次d e d x 测量涨落很大 通常漂移 室沿入射径迹进行多次 几十次 取样测量 并且为了减小l a n d a u 尾巴对d e d x 测量 的影响 常采用截断平均 t r u n c a t i o nm e a n 的方法获得d e d x 测量值 在这种方 法中 按一定比例把d e d x 测量值较大的取样 对应l a n d a u 尾巴 丢弃 再对剩下较 小的取样测量值求平均 把这个平均值作为最终的d e d x 测量值 记为 d e d x w 其中 保留的取样比例称为截断平均比 截断平均方法是一种简单却又非常稳定可靠的方法 通过截断平均能得到一个高斯状的d e d x 分布 而d e d x 分辨显然就等于这个高斯分布 的标准偏差与中心值的比值 d e d x 分辨直接影响漂移室利用d e