中科院高能物理所核电子学与核探测技术分会年会.ppt

1 李卫国中科院高能物理所2002年12月2日 厦门 BEPCII BESIII工程中国核学会 中国电子学会核电子学与核探测技术分会年会 2 引言BEPCII设计BESIII设计进度和经费预算国际国内合作结束语 3 TheBESCollaboration Korea 4 KoreaUniversitySeoulNationalUniversityChonbukNationalUniversityGyeongsangNat Univ Japan 5 NikowUniversityTokyoInstituteofTechnologyMiyazakiUniversityKEKU Tokyo USA 4 UniversityofHawaiiUniversityofTexasatDallasColoradoStateUniversityStanfordLinearAcceleratorCenter UK 1 QueenMaryUniversity China 18 高能所 中国科学技术大学 山东大学 浙江大学 华中师范大学 上海交通大学 北京大学 高等科学技术中心 武汉大学 南开大学 河南师范大学 湖南大学 清华大学 辽宁大学 四川大学 江苏师范学院 广西大学 广西师范大学 4 DataCollectedwithBESIandBESII BES获取的数据 5 BES有世界最大的J 和 数据样本 106 J 01 11 02 3 99 11 01 3 6 BEPCII未来发展的物理窗口 国际高能物理未来发展有两个前沿 高能量前沿 寻找Higgs粒子 探索超越标准模型的新粒子和新现象 高精度测量前沿 高统计性和小系统误差的测量 检验标准模型 探索超越标准模型的新现象 考虑到国际高能物理最新成果和B工厂的成功运行 BEPC未来发展的物理窗口主要是粲物理精确测量 并探索新物理现象 BEPC对该能区物理有独特优势 J 和 共振峰截面大 阈值区域本底小 是B工厂无法替代的 对QCD的发展 包括微扰QCD和非微扰QCD及其中间区域十分重要 同时能探索新的物理现象 具有重大物理意义 7 BEPCII的物理目标 精确测量J 3770 衰变精密测量CKM矩阵 强子衰变 VP VT TP VS 和辐射衰变轻强子谱重子激发态研究D介子物理 D和Ds分支比和衰变产物fD和fDs的测量检验VDM NRQCD PQCD 研究 疑难 8 BEPCII的物理目标 续 强子产生机制 低能QCD R值精确测量 物理 带电流 测量m 和m 寻找新粒子 1P1 c 胶球 夸克胶子混杂态 奇异态 探索新物理现象 寻找稀有衰变 轻子数不守恒现象 J 和 衰变中的CP破坏 9 BEPC未来发展方案 BEPCII 精确测量需要 高统计事例 高亮度加速器 高性能探测器小系统误差 高性能探测器要求BEPC主要运行在J 和 区域 产生的截面非常高最佳的选择是对加速器和探测器作重大改进 BEPCII BESIII 以相对较少的投入在较短的时间内将亮度增加一个数量级以上 10 BEPCII早期设计方案 单环多束团麻花轨道对撞 在现有的储存环内采用麻花轨道 实现多束团 2 6 对撞束团串 2 6 3 对撞与CESR类似 设计亮度为3 1032cm 2s 1 造价估计为4亿元 技术复杂 需要较长的调试时间 11 粲物理实验研究出现激烈竞争 BES的重大物理成果引起国际高能物理界对 粲物理实验研究的高度重视 成为新热点 美国CESR原运行在10GeV的B介子能区 由于无法和B工厂竞争 同时看到 粲物理实验研究的重大意义 计划安装多个超导wiggler 将能量降到 粲能区 预期亮度为 1 5 3 x1032cm 2s 1 俄罗斯新西伯利亚的VEPP 4M也有类似的计划 BEPC BES正面临激烈的国际竞争 BEPCII单环方案不能保证BEPC在竞争中的优势地位 12 BEPCII双环方案 在BEPC隧道现有的储存环内新建一个储存环 新老两对半环在南北对撞点交叉 形成两个等同的环 国际先进的双环对撞机技术 每个环内储存93个束团 流强 0 9A 对撞时间间隔 8ns 在南对撞点实现大交叉角水平对撞 11毫弧度 计算亮度 1033cm 2s 1 3 78GeV 在北对撞点建立连接外环的同步辐射运行直通束流管道 在南对撞区的插入铁安装二极线圈 使同步辐射运行继续使用现有的外环 光束线不变 同步辐射运行 250mA 2 5GeV 综合性能大幅度提高 大幅度提高探测器性能 BESIII BEPCII亮度是CESR的 倍 而且设计优化在J 和 比CESRc的短平快方案的潜力大得多 技术难度比单环小 能确保我们在竞争中的优势 造价约增加50 13 BEPC改进 BEPCII 双环方案 14 BEPCII的设计目标 增加束流强度 压缩束团尺寸 15 双环安装木模研究 16 技术路线和途径 Micro b by 5cm 1 5cm超导聚焦磁铁 减小耦合阻抗 超导高频腔sz 5cm 1 5cm 双环 多束团对撞h 400 kb 1 93 LBEPCII LBEPC D R 5 5 1 5 93 9 8 35 96LBEPC 1 0 1031cm 2s 1 LBEPCII 1 1033cm 2s 1 选择适当ex 优化参量 Ib 9 8mA xy 0 04 17 BEPCII与BEPC CESRc的比较 18 关键技术和挑战 注入器改进注入速率 5mA min 50mA min 研制新正电子源稳定性和可靠性Einj 1 55 1 89GeV500MHz超导高频系统超导高频腔技术功率源和低电平低温系统 注入系统磁铁系统电源系统真空系统超导插入磁铁和对撞区束流测量系统控制系统 19 注入器 直线加速器的改进 基本要求 正电子注入速率从5mA min 提高到50mA min 能量从1 3GeV提高到1 55 1 89GeV 采用45MW速调管 改进微波功率源 更换八节加速管 正电子打靶能量从150MeV提高到240MeV 电子枪流强从5A提高到10A 研制高性能正电子源 提高效率 改进聚焦和轨道校正系统 重复频率从12 5Hz提高到50Hz 脉冲宽度从2 5ns减小为1ns 研究双束团注入的可能性 fRF fLinac 7 40 20 提高正电子流强的措施及其提高因子 21 超导高频系统 基本要求 足够高的电压 足够高的功率抑制耦合束团不稳定性 稳定性和可靠性技术路线 加强与SSRF Cornell和KEK的合作 应用成熟的工业技术 在研制中掌握技术 22 超导高频腔CESR typeCavity ACCEL KEKB typeCavity Mitsubishi IHEP SSRF高频合作组将对超导腔的设计进行优化 并跟踪腔的制造及其工艺 以便更好地掌握运行和维护技术 23 3 7对撞区和超导磁铁 24 BESIII预期年事例数At 1033 atJ and4 14GeV 0 6 1033 25 BESIII探测器的设计目标 适应高计数率 亮度1033cm 2s 1和对撞间隔8ns 硬件触发最高事例率为4000Hz 经过三级触发後预期最高事例率为3000Hz 改进探测器的分辨率 特别是对光子的分辨率提高粒子鉴别能力加大几何接收度改进对撞区 以便安装超导插入磁铁 26 BESIII探测器 27 BESIII的主要改进内容 CsI晶体量能器 E E 2 3 主漂移室 MDCIV 小单元 铝丝和He基气体 P P 1GeV 0 6 0 7 0 8T 0 5 1T dE dx 6 飞行时间计数器 T 桶部90ps 端部110ps 计数器 RPC 读出条宽度 4cm亮度监测器 LM L L 3 超导磁铁 1Tesla 内径1 32m 长3 8m适应多束团 高亮度的触发和DAQ系统新的电子学读出系统 流水线计算机系统 PCfarm 机械手带库的数据管理系统 28 Smallcell 43layersHebasedgasHeC3H8 60 40 Positionresolution130 mMom Resolution0 5 at1GeVat1Tesla0 6 0 7 at1GeVat0 8Tesla 主漂移室结构 29 MDC模型研究 driftvelocitymeasurement 30 飞行时间计数器 TOF 桶部 Barrel 端部 Endcap DoublelayersTOF orTOF CCT SinglelayerTOFplasticscintillator BC 404orBC 408 same88piecesperlayerin 2x48piecesR 81 92cm Z 135cmThickness4cm length 240cmThick4cm length 45cmReadoutbothsidesbyF PMTR5924ReadoutatoneendbyF PMTTimeResolution 90psTimeResolution 110psSingleTOF 100ps2 onk separation 1 1 1 5GeV c forpolarangle00 450 ForCCToption needR D 达到设计指标是一个很大的挑战 31 BarrelTOF时间分辨ItemTimeresolutionintrinsicforsinglelayerTOF80psintrinsicforsinglelayerCCT100psBeamlength15mm 35psTiminguncertaintyformulti bunches 35psMDCextrapolationerror5mm 25psUncertaintyforelectronics25psTotalforsinglelayerTOF100psTotalforsinglelayerCCT120psTotalforDoubleTOF 90ps 32 K 分辨 TOF TOF TOF CCT 33 CsI电磁量能器 EMC BARREL28cmlong 15X0 E E 2 3 X 0 55cm 1GeVRin 93cm Lin 276cmcos 0 835280crystalsENDCAPZin 138cm2x496crystalsTotal 6000crystals coveringsolidanglecos 0 93 34 SchematicofBESIIICsIEMC 35 能量分辨率模拟 36 EMC需采取措施Inordertoreachdesignenergyresolution needcarefuldesignofEMCanditscalibrationsystem needtocontrolcontributingerrorsto 1 Controlandmeasuretemperature humidityandmeasureradiationdose Reducematerialanddeadspaceasmuchaspossible Measureeverycrystal PD dimension lightoutput likelytousecosmicray Calibratethegainofelectronics calibratethesystemusingXelight offlinecalibrationusingdata e 37 BESIII磁场 Option1Super conductingB 1 0T L 3 8mRin 132cm Rout 172cmTechnicallyquitedemandingforIHEPbothforcoilandcryogenicsystem nowcollaboratewithKEKindesign Option2normalmagnetB 0 8T Initialinvestissmaller butoperatingcost electricity ishigher Andthefakemuonrateishigher 38 Muon探测器 Barrel L 4 1m Endcap cos 0 9Consistof 9RPCRin 175cm Rout 265cmIronplatethicknessbetween 3 8cm 8layersRPCthickness doublelayer 3 5cmReadouthitsonstrips 4cmtotalweightofiron 500tons 39 RPC优点 结构简单 好的位置和时间分辨 高效率 小的死区 灵活的读出 大的信号 薄的厚度Disadvantages HighHV 6 10KV possiblesparking Alsobignoiseduetosurfaceproblem NeedRR DGas Ar F134A C2H2F4 Iso Butane C4H10 TEST RPC示意图 40 Muonacceptance Pioncontamination Muonefficiencyandpioncontaminationasfunctionofmom GeV 41 对撞区ItisverycompactatIR veryclosecooperationisneededinthedesignsofdetectorandmachinecomponentsatIRUnderstandthespacesharing thesupport vacuumtightUnderstandthebackgroundsfrommachineandhowtoreducethem goodvacuumneardetectorisrequired Beamlosscalculation masks Synchrotronradiation masks Heatingeffect coolingifnecessary UnderstandtheeffectsofthefringefieldfromSCQtothedetectorperformances thepreliminarystudyshowsthat fielduniformityshouldbebetterthan5 inmostoftheMDCvolumeCenterofbeampipewillbeadouble wallBepipe 42 触发系统Triggerrateestimation usingthesimilartriggerconditions backgroundestimation with40timesbeamcurrentandhalfofthebeamlifetime theroughestimationforthebackgroundis80timesthecurrentrate 10 15 or800 1200Hz taking1500asadesignnumberGoodeventrate atJ psi Atlum 0 6 1033 goodeventrate tobe2000Hz Cosmicraybackgroundcanalmostbenegligible Totalpeaktriggerratecanbe4000Hz additionaltrigger software isneededtoreducetheeventrateto3000Hz 43 Level0and1arehardwaretriggers latency 6 0 s Pipelineclock40MHzLevel2issoftwarefilteringusingonlinecomputingfarmBecausefastestdetectorelementTOFneedatimewindowofabout30ns thetriggercanidentifybunchtrainonly notindividualbunch Level1withTOF hardwaretrackfinding EMCclustering energybalance totalEMCenergy counterhits 44 前端电子学PipelineschemeisrequiredRequirementsForthetimingmeasurement likelyusingHPTDC25psforTOF 0 5 1nsforMDCForchargemeasurement 1 accuracyforEMC 2 forMDCandTOFTotalnumberofelectronicchannels 25000 45 BESIIIElectronicsspecificationlistFeb 21 2002 Consideringmultiplehittimemeasurement 46 数据获取系统 DAQ Eventbuilder 4000Hz 12Kbytes 50Mb s Thereissomeuncertaintyineventsize aimfor2 3Mb s perreadoutcrateSwitchnetworkEventfilteringDatastorageRuncontrolOnlineeventmonitorSlowcontrol 47 离线计算和分析Computing network datastorage database processingmanagementSupportingsoftwarepackage dataofflinecalibration eventreconstruction eventgenerators detectorsimulation Substantialmanpowerneededforsoftware TotalCPU36000MIPSDatastorage500Tbytes yontapes 24Tbytes yondisksBandwidthfordatatransfer100Mbps 48 BESIII机械尺寸图 Dimensionsneedfinaltuning 49 BESIII和BESII性能比较 50 BESIII和CLEOc性能比较 Temperaturemeasurement 1000EMCCsI 600 MDC16 150 electronicscrates 300 cablerack 100 environment 100 2 Humiditymeasurement 250CsI 200 MDC 8 electronics 20 environment 30 3 LowHVofVMEcrates 500 4 MDCgas 8 5 Voltageofpowersupply several 6 Othermeasurements Magneticfield parametersinSCmagnetandcryogenics HVparametersfordetectors radiationdose Heleakage flammablegas others 慢控制系统 slowcontrol Requiredmeasurementsfromdetectorandelectronics ONEWIREBUScanbeusedtoreadthesesignalsoutProbe master doingR D64bitW A O uniquecodeworldwide 12bitDATETemperatureprobe DS18B20 22RMB probehumidityprobe LTM8802 150RMB probe1 Humidityrange 1 99 typicalprecision 3 2 Temperaturerange 30 60 accuracy0 5 D Cvoltageprobe DS2438 LTM8805 severaldozensofRMB probeanalogvoltage 0 10V resolution 0 01V Light decouplingbetweenPCandmastertoreducenoisepickup LTM 4850 2dual portRS 485card 53 BESIII关键技术和挑战控制本底 和加速器 在高亮度下获取高质量的数据设计和稳定地运行超导磁场MDC的稳定地运行 30000wires 和高动量分辨EMC达到高能量分辨 建造中的质量控制和高性能的刻度系统TOF达到高时间分辨 控制各有关因素DAQ系统 达到所需的事例选择和数据传输速率 稳定可靠地运行 流水线的快电子学大容量的数据存储和处理 54 某些设计还需确定 如TOF是否采用CCT TOF的电子 EMC的支撑结构 特别是采用什么磁场 离线任务已确定 人员基本落实 总体框架也已选定 需尽快编写投入运行 约定规则 以便软件人员开始程序的编写 经费和工期的关键经费 量能器 超导磁场 电子学 工期 主漂移室 量能器 超导磁场 包括轭铁 55 工程的进展立项报告已由计委委托国际工程咨询公司评审通过 将上报国务院办公会议审批 可行性报告已完成 正进行工程设计 将于年底或明年初完成 直线的改进已开始 加速器和探测器的设计经过国际专家评审 某些关键设备的设计和国外实验室合作 如超导设备和低温系统等 56 工程进度和经费预算 Endof2002PreliminaryTechnicalDesignReport June2003R Dandprototype May2004BEPCrunJuly2002 June2006ConstructionMay2004 Nov 2004BESIIdismountingandLinacupgradeNov 2004 Jan 2005LinaccommissioningJan 2005 Apr 2005SRrunApr 2005 Jan 2006StorageringassemblingJan 2006 June2006CommissioningofstorageringJune2006 Sep 2006BESIIIdetectormovedtobeam lineSep 2006 CommissioningmachineanddetectorVerytightschedule 57 BESIII进度2001 7 2003 6R Dofcriticalparts2002 7 2005 9Constructionofdetectorcomponents2003 1 2004 6Constructionofreturnyoke2002 3 2004 12Designandconstructofsuperconductingmagnet2004 7 2004 11BESIIdisassembling2004 12 2005 3BESIIIironyokeassembling withmagnet 2005 4Commissioningofcryogenics2005 5 2005 8Magnetfieldmeasurement withSCQ 2005 9 2006 1Assemblingofotherdetectorcomponents2006 2 2006 6CommissioningofBESIIIdetector2006 7 2006 8BESIIImovedtobeam line2006 9 2006 12CommissioningofBEPCII BESIII 某些子系统有可能会推迟 58 BEPCII BESIII国际合作 InternationalcollaborationplayedanimportantrollinBEPC BESproject ExpecttoplaymajorrollinthedesignandconstructionofBEPCII BESIII BNLofUS SCQmagnet SLACofUS Keymachinetechnology designreviews KEKofJapan SCcavityandSCsolenoid ImprovetechnicalexcellencyandresearchcapabilityAdviceandhelpindesignandconstructioninvarioussystems Technicalreviewandfollow upindetectordesign constructionandcommissioning 59 MoreInstitutesfromUSandJapanmayjoin KoreahasinterestinparticipatingShouldformBESIIIinternationalcollaborationaccordingtointernationalstandard Institutionalboard Executiveboard Spokesperson etc Internationalreview Documentation videoconferencing 60 BEPCII BESIII国内合作 ParticipationfromotherInstitutesandUniversitiesfromChina inchargeofonesub systemorcollaborationwithIHEPShanghaiSynchrotronLightSource500MHzRFsystemShanghaiInstituteofCeramics CsIcrystalsBeijingUniversity RFsystem detectorQinghuaUniversity Acceleratortechnique detectorUniversityofScienceandTechnologyofChina Detector readoutelectronics 61 Design MCsimulationSub detectorsR DandconstructionElectronicsR DandmanufactureOnline OfflinesoftwareSoftwarepackageReconstructionsCalibrationPhysicsstudyInchargeofsomesub systemorsendpeopletoIHEP 62 结束语 BEPC BES在 粲物理上有机遇 也有挑战BEPCII双环峰值亮度 1 89GeV 1033cm 2s 1 同时 对BES进行重大改造 能保证中国在 粲物理方面保持国际领先水平 BEPCII BESIII技术上是可行的 设计已基本完成 BESIII的设计是国际水平的 很多技术在国内首次实现 是对中国高能物理实验工作者的挑战要加强国际 国内的合作 发挥全国高能物理学界和相关单位的合作 使工程按性能指标 按时完成 在 粲物理上尽快做出一流的成果 63 谢谢 64 BESIII合作组高能物理所清华大学北京大学四川大学中国科技大学UniversityofHawaii Honolulu山东大学上海硅酸盐所国立中央大学 台北 UniversityofTokyo TokyoUniversityofWashington Seattle华中师范大学 65 Infrastructure BEPCIIneedssomebuildingconstruction hallsforCryogenicsystemandadditionalmagnetpowersupplier improvingshieldingofsomebuildings etc Majorsystems Newcryogenicsystem capacityof1kW 4 5KBEPCIIpowerconsumptiontobedoubled110kVtransformer 6300kVA 12500kVANewelectriccratesandapparatusIncreasecapacityofair conditioningImprovewatercirculationsystemImprovepurewatersystem 66 HighEnergyPhysics1 BEPCfuturedevelopment BEPCII BEPC BESmajorupgra