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《BESⅢ—桶部電磁能量器改進(jìn)方案.doc》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在應(yīng)用文檔-天天文庫(kù)。
1、桶部電磁量能器呂軍光一、總體考慮電磁量能器在BES譜儀中占有十分重要的地位。它的基本功能是測(cè)量電子和γ光子的能量和空間信息。根據(jù)總體的物理要求，BESIII的電磁量能器需具有如下的功能和指標(biāo)：(1)測(cè)量電子和γ光子的能量信息，能量覆蓋范圍為：20MeV—2GeV。并且要求在能量低于500MeV的重點(diǎn)區(qū)域，能量分辨率達(dá)到8%/。(2)電磁簇射的位置分辨：σx,y≈1cm/。(3)提供中性（γ）能量觸發(fā)。(4)具有足夠好的能量分辨率，使得在能量高于180MeV的區(qū)域具有良好的e/π分辨。(5)足夠小的探測(cè)單元粒度（granularity）和精細(xì)
2、的信號(hào)讀出,因而具有良好的雙γ角分辯能力，強(qiáng)的探測(cè)高能π0的能力和區(qū)分來(lái)自強(qiáng)子衰變?chǔ)玫哪芰Α?6)好的時(shí)間分辨能力，可以對(duì)帶電粒子的飛行時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)量，本征時(shí)間分辯σt≤160ps（強(qiáng)子）。北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)現(xiàn)在的桶部電磁量能器（BES-BSC）為24層鉛板和23層自淬滅流光（SQS）管組成的氣體取樣量能量。它的造價(jià)相對(duì)便宜，但只具有較差的能量分辨率（△E/E=21%/），目前已經(jīng)運(yùn)行了13年進(jìn)入壽命的后期階段。由于量能器的總造價(jià)很高，BSC沒(méi)有列入上次（94-96年）的改進(jìn)計(jì)劃。無(wú)論從性能上和壽命上來(lái)看，目前的BSC都已經(jīng)不能滿足BES
3、Ⅲ的要求。建造一個(gè)新的桶部電磁能量器是十分必要的。二、選型BESIII的電磁量能器擬采用閃爍光纖取樣量能器。意大利φ工廠KLOE譜儀的電磁量能器[1,2]是一個(gè)由鉛和閃爍光纖構(gòu)成的取樣量能器，它具有好的能量分辨率和位置分辨率。對(duì)于300MeV的電子和γ光子，其能量分辨率可達(dá)到10%，向高能方向外推可達(dá)<7%/；通過(guò)光纖雙端讀出的時(shí)間信息，確定Z向擊中位置，對(duì)簇射的空間分辨率可以達(dá)到1cm/。從可達(dá)到的性能指標(biāo)和結(jié)構(gòu)上看，KLOE量能器都是閃爍光纖量能器一個(gè)成功的例子，可以作為BESⅢ-BEMC的基本參考。另外，我國(guó)（我所、科大等單位）曾有一
4、些科技人員參加了KLOE量能器的研制工作，他們的工作經(jīng)驗(yàn)也可借鑒。閃爍光纖量能器無(wú)疑是個(gè)可行的方案。三、結(jié)構(gòu)BEMC將由24個(gè)橫截面為梯形，長(zhǎng)395cm，厚20cm的模塊構(gòu)成一個(gè)內(nèi)徑264cm圓桶狀探測(cè)器(圖1)。量能器模塊由平均厚度為0.5mm，兩面帶有半徑為0.55mm半圓槽的鉛片和鑲嵌在槽內(nèi)的φ1mm的閃爍光纖粘接而成。鉛片和光纖層各有160層,總厚度相當(dāng)于13X0。光纖相距1.35mm，光纖層距1.2mm,光纖與鉛片之間的空間充滿環(huán)氧膠（圖2）。光纖、鉛與膠的體積比為50∶40∶10，比重約為5g/cm3。通過(guò)初步的MC模擬計(jì)算得到
5、，對(duì)于最小電離粒子，閃爍光纖的取樣能量占沉積能量的13%，在理想的電磁簇射情況下，能量分辨率接近7%/。閃爍光纖采用發(fā)射波長(zhǎng)為蘭光的材料，要求衰減長(zhǎng)度盡量長(zhǎng)（>3m）；光產(chǎn)額約8p.e./mm,并且具有快的發(fā)光衰減時(shí)間<2.5ns,以便能提供好的時(shí)間分辨。閃爍光纖的直徑選為1mm。表1列出若干閃爍光纖的特性。表1.若干閃爍光纖的特性公司型號(hào)發(fā)射波長(zhǎng)nm發(fā)光衰減時(shí)間ns衰減長(zhǎng)度m光產(chǎn)額/MeVKURARAYSCSF-384282.3>3約8000SCSF-814372.4>3.5SCSF-784502.8>4.0BICRONBCF-10432
6、2.72.2BCF-124353.32.7預(yù)制研究（R&D）測(cè)量到的初步結(jié)果：閃爍光纖SCSF-81（KURARAY公司）和BCF-10（BICRON公司）的衰減長(zhǎng)度分別為3.3m和2.8m。對(duì)BEEC的MC模擬計(jì)算正在進(jìn)行，其結(jié)果將用于量能器設(shè)計(jì)的進(jìn)一步優(yōu)化。四、讀出方式閃爍光纖的信號(hào)由光纖二端讀出。探測(cè)器讀出單元尺寸為2.8cm(Φ)×2.5cm(R)。每四個(gè)相鄰的單元通過(guò)一個(gè)各路分離的光導(dǎo)（圖3）共同耦合到一個(gè)2英寸直徑的四通道抗磁場(chǎng)的光電倍增管的窗口上。光導(dǎo)的長(zhǎng)度約為8cm，一端為方型，經(jīng)切割和拋光后直接粘在量能器的鉛和閃爍光纖的端
7、面上，另一端為圓柱型（四個(gè)1/4園的組合），直接耦合到光電倍增管的窗口。通過(guò)光導(dǎo)使各部位閃爍光纖的光較均勻的入射到光電倍增管光陰極上，以改善對(duì)不同位置光纖入射的光電轉(zhuǎn)換效率和渡越時(shí)間的均勻性。整個(gè)量能器沿徑向有四層光電倍增管，它們所對(duì)應(yīng)的量能器覆蓋相同的Φ角。Z方向坐標(biāo)通過(guò)各讀出單元兩端輸出信號(hào)的時(shí)間差確定。光電倍增管的型號(hào)為R5924-M4，系HAMAMATSU新研制的產(chǎn)品，其參數(shù)如下：表2R5924-M4型光電倍增管的特性參數(shù)光譜響應(yīng)范圍：300—650nm最大響應(yīng)光譜值：420nm光陰極材料和靈敏面積：Bialkali/Φ39mm供給
8、電壓：2000V/Max:2300V打拿極結(jié)構(gòu)：FineMesh/19放大倍數(shù)（2000V）：1×107陽(yáng)極脈沖上升時(shí)間：2.5ns電子渡越時(shí)間：9.5ns單電子渡越時(shí)間漲落：σ
