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1、北京正負電子對撞機重大改造工程初步設計4.7電磁量能器4.7.1概述高能物理實驗中測量粒子總能量的探測器被稱為量能器，電磁量能器在BES譜儀中占有十分重要的地位。它的基本功能是測量電子和γ光子的能量和位置信息。為尋找膠子球存在的證據，需要在探測J/y的輻射衰變的數據中重建諸如J/y?gpp，J/y?gkk，J/y?ghh等包含有直接衰變的g，p0或中間態(tài)衰變的p0的道，同樣在y￠，y￠￠，t和D的衰變末態(tài)中含有p0的分支道占有相當大的比例。圖4.7-1和圖4.7-2分別顯示J/y衰變末態(tài)中以中性粒子(g為主)的能量分布和D共振態(tài)衰變末態(tài)g的能量分布。能量低于500MeV的占有大的的比例
2、。由于量能器的能量分辨率和位置分辨率與能量的開平方成反比的關系，對低能的探測和可達到的分辨率，將是BESIII電磁量能器設計和制造的重點。圖圖4.7-1J/y衰變末態(tài)中性粒子(g為主)的能量分布(BESII數據)圖4.7-2D衰變末態(tài)g的能量分布(BESII數據)北京正負電子對撞機重大改造工程初步設計利用Jetset7.4.1產生e+e-?np0+X，在質心能量為4.03GeV時的p0的能量分布(圖4.7-3)。在BESIII物理能區(qū)，末態(tài)產生的p0以能量小于1.5GeV為主，大于1.5GeV的p0產生的幾率非常小。在實驗室系p0衰變產生的兩的最小夾角隨p0能量的增加而減小((圖4.7
3、-4)。1.5GeVp0衰變產生的兩的最小夾角大于10°。圖4.7-3e+e-?np0+X，在質心能量為4.03GeV時的p0的能量分布圖4.7-4在實驗室系p0衰變的兩的最小夾角隨p0能量的分布根據BES總體的物理要求，BESIII采用CsI(Tl)晶體構造的電磁量能器，它應具有如下的功能和指標：(1)測量電子和γ光子的能量，能量覆蓋范圍為：20MeV－2GeV。并且要求在能量低于500MeV的重點區(qū)域，能量分辨率達到2.3%/1%。(2)電磁簇射的位置分辨：σx，y≤6mm/。(3)提供中性（γ）能量觸發(fā)。(4)在能量大于200MeV的區(qū)域具有良好的e/π分辨。(5)足夠小的探測單
4、元粒度和精細的信號讀出，因而具有良好的雙γ角分辯能力，并具有較強的探測高能π0的能力和區(qū)分來自強子衰變產生的假γ的能力。(6)每塊晶體讀出電子學的等效噪聲能量小于220KeV。北京正負電子對撞機重大改造工程初步設計4.7.1CsI(Tl)晶體4.7.2.1晶體的選擇能量分辨率是電磁量能器最重要的指標之一，影響能量分辨率的主要因素可以用公式表示。其中，為量能器本征的能量誤差，主要依賴于入射粒子能量沉積的漲落，及信號產生或轉換過程的漲落；sγl為簇射過程中的能量泄漏誤差，包括能量在量能器之前的吸收和閃爍晶體之后的能量泄漏漲落；snoise為量能器讀出電子學的等效能量噪聲及高亮度下沉積能量堆
5、積的誤差等；sPD為閃爍晶體之后的簇射泄漏粒子在光電讀出器件上產生的等效能量信號的誤差；sCal為各過程的非均勻性和刻度誤差。閃爍體量能器可分為全吸收型和取樣型兩類。全吸收型的能量吸收體全部為探測靈敏材料，如閃爍晶體量能器[1，2，3，4]，一部分沉積能量轉化為閃爍光，其光強正比于入射粒子的能量；取樣型一般為多層重金屬吸收體和靈敏材料的夾層結構，靈敏材料多為有機閃爍體，如閃爍塑料光纖-鉛夾層量能器[5]，在簇射過程中，由于有機閃爍體密度很小，約有～10%的能量被閃爍體吸收，其中的小部分能轉化為閃爍光而被探測。顯然，全吸收型的輸出信號與能量沉積有最直接，最逼真的對應關系。在高能區(qū)，全吸收
6、型量能器的能量分辨至少好于取樣型量能器3倍，在低能量區(qū)，全吸收型量能器的能量分辨與能量近似有E-1/4的關系，而取樣型則為E-1/2。在能量沉積—激發(fā)閃爍光—光電轉換的探測過程中，發(fā)光效率高和光波長有光電轉換效率高的閃爍晶體更真實反應能量沉積和有較小的能量沉積漲落，具有較好的能量分辨率。表4.7-1列出了幾種閃爍晶體的性能特性。其中，NaI(Tl)晶體和CsI(Tl)晶體都具有發(fā)光效率高的特性，但CsI(Tl)晶體有更短的輻射長度，在要求15cm的輻射長度下，晶體的長度約短11cm；有更小的Molière半徑，對雙γ的分辨有利；晶體量能器處于1特斯拉的均勻磁場中，采用硅光二極管讀出的費
7、用比采用高抗磁光電倍增管[7]讀出的費用便宜約4倍，合適選擇是采用硅光二極管讀出。由于CsI(Tl)晶體有更適合匹配硅光二極管的發(fā)射光譜[6]，采用硅光二極管讀出，CsI(Tl)晶體比NaI(Tl)晶體有高的信號脈沖輸出(1.4倍)。另外，NaI(Tl)晶體的強潮解性，會使晶體的封裝，結構和運行環(huán)境帶來許多困難。北京正負電子對撞機重大改造工程初步設計表4.7-1無機閃爍晶體的性能晶體NaI(Tl)CsI(Tl)BGO比重(g/㎝3)3.674.
