電磁量能器BESCollaboration

1、4.7 電磁量能器概述高能物理實(shí)驗(yàn)中測(cè)量粒子總能量的探測(cè)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。它的根本功能是測(cè)量電子和丫光子的能量和位置信息。為尋找膠子球存在的證據(jù)，需要在探測(cè)J/'-：的輻射衰變的數(shù)據(jù)中重建諸如J/-二二，jr > kk, J/S “等包含有直接衰變的，二0或中間態(tài)衰變的二0的道，同樣在, ' , 和D的衰變末態(tài)中含有二0的分支道占有相當(dāng)大的比例。圖 4.7-1和圖4.7-2分 別顯示J/'-：衰變末態(tài)中以中性粒子為主的能量分布和D共振態(tài)衰變末態(tài) 的能量分 布。能量低于500MeV的 占有大的的比例。由于量能器的能量分辨率和

2、位置分辨率 與能量的開(kāi)平方成反比的關(guān)系，對(duì)低能的探測(cè)和可到達(dá)的分辨率，將是BESIII電磁量能器設(shè)計(jì)和制造的重點(diǎn)。圖 4.7-1J八衰變末態(tài)中性粒子為主的能量分布BESII數(shù)據(jù)圖4.7-2 D衰變末態(tài) 的能量分布BESII數(shù)據(jù)利用產(chǎn)生e e n? +X，在質(zhì)心能量為4.03 GeV時(shí)的門的能量分布(圖4.7- 3)。在BESIII物理能區(qū)，末態(tài)產(chǎn)生的二°以能量小于1.5GeV為主，大于1.5GeV 的二0產(chǎn)生的幾率非常小。在實(shí)驗(yàn)室系 二0衰變產(chǎn)生的兩 的最小夾角隨二0能量的增加而減小(圖4.7-4)。1.5 GeV二0衰變產(chǎn)生的兩 的最小夾角大于10°根據(jù)BES總體的物理要

3、求，BESIII采用Csl(TI)晶體構(gòu)造的電磁量能器，它應(yīng)具 有如下的功能和指標(biāo)：(1)測(cè)量電子和丫光子的能量，能量覆蓋范圍為：20 MeV 2 GeV。并且要求在 能量低于500 MeV的重點(diǎn)區(qū)域，能量分辨率到達(dá) 2.3%/.,E(GeV)二1%。電磁簇射的位置分辨：樂(lè)，y< 6 mm/ E(GeV)。(3)提供中性(Y能量觸發(fā)。在能量大于200 MeV的區(qū)域具有良好的e/ ：分辨。(5)足夠小的探測(cè)單元粒度和精細(xì)的信號(hào)讀出， 因而具有良好的雙丫角分辯能力, 并具有較強(qiáng)的探測(cè)高能n的能力和區(qū)分來(lái)自強(qiáng)子衰變產(chǎn)生的假丫的能力。每塊晶體讀出電子學(xué)的等效噪聲能量小于 220KeV4.7.2

4、Csl(TI)晶體晶體的選擇能量分辨率是電磁量能器最重要的指標(biāo)之一，影響能量分辨率的主要因素可以 用公式2 2 2 2 2；/ E = 二 EC ；I oise ；PD 二 Cal表示。其中，Cec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(hào)產(chǎn)生或轉(zhuǎn)換過(guò)程的漲落；匚Y為簇射過(guò)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；Cnoise為量能器讀出電子學(xué)的等效能量噪聲及高亮度下沉積能量堆積的誤差等；CRD為閃爍晶體之后的簇射泄漏粒子在光 電讀出器件上產(chǎn)生的等效能量信號(hào)的誤差；CCal為各過(guò)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

5、型兩類。全吸收型的能量吸收體全部為探 測(cè)靈敏材料，如閃爍晶體量能器1，2, 3, 4，一局部沉積能量轉(zhuǎn)化為閃爍光，其光強(qiáng)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(jié)構(gòu)，靈 敏材料多為有機(jī)閃爍體，如閃爍塑料光纖-鉛夾層量能器5，在簇射過(guò)程中，由于有 機(jī)閃爍體密度很小，約有10%的能量被閃爍體吸收，其中的小局部能轉(zhuǎn)化為閃爍光 而被探測(cè)。顯然，全吸收型的輸出信號(hào)與能量沉積有最直接，最逼真的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在高能區(qū)，全吸收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(guān)系，而取樣型那么為E-1/2。在能量沉積一激發(fā)閃爍光一

6、光電轉(zhuǎn)換的探測(cè)過(guò)程中，發(fā)光效率高和光波長(zhǎng)有光 電轉(zhuǎn)換效率高的閃爍晶體更真實(shí)反響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，Nal(TI)晶體和Csl(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(zhǎng)度，在要求 15cm的輻射長(zhǎng)度下，晶體的長(zhǎng)度約短11cm；有更小的Moli圧e半徑，對(duì)雙丫的分辨有利； 晶體量能器處于1特斯拉的均勻磁場(chǎng)中，采用硅光二極管讀出的費(fèi)用比采用高抗磁 光電倍增管讀出的費(fèi)用廉價(jià)約4倍，適宜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，采用硅光二極管讀出，C

7、sI(Tl)晶體比NaI(Tl)晶體有高的信號(hào)脈沖輸出(1.4 倍)。另外，NaI(Tl)晶體的強(qiáng)潮解性，會(huì)使晶體 的封裝，結(jié)構(gòu)和運(yùn)行環(huán)境帶來(lái)許多困難。表4.7-1無(wú)機(jī)閃爍晶體的性能晶體NaI(Tl)CsI(Tl)BGO比重(g/cm 3)3.674.517.13輻射長(zhǎng)度(cm)2.591.861.12Moli <re 半徑(cm)4.83.82.3能量損失(Mev/cm)4.85.69.2核作用長(zhǎng)度(cm)41.43721.8折射系數(shù)(480nm)1.851.792.15發(fā)射峰波長(zhǎng)(nm)410560480光輸出10045(PMT)140(PD)15溫度系數(shù)(%/0C)00.3-1.6

8、發(fā)光衰減時(shí)間(ns)2301000300潮解性強(qiáng)微不參考價(jià)格($/ cm 3)2274722晶體徑向尺寸和橫向截面尺寸的選擇簇射能量的泄漏主要與晶體的長(zhǎng)度選擇有關(guān)，晶體之間的能量損失由封裝晶體 的反射材料的選材控制，影響稍小。圖4.7-5顯示了 Csl(TI)晶體的長(zhǎng)度對(duì)能量分辨的 影響，對(duì)于24cm和28cm的晶體長(zhǎng)度，能量分辨分別為3.2%和2.3%,接近增加2cm 改善能量分辨0.5%。BESIII設(shè)計(jì)中選用28 cm( 15Xo)長(zhǎng)的CsI(TI)晶體。圖4.7-5 GEANT模擬CsI(Tl)晶體長(zhǎng)度與能量分辨的關(guān)系，三條曲線分別為積分3 3單元，5 5單元和全部有能量沉積的單元電磁

9、簇射量能器的位置分辨主要由晶體的橫截面大小和量能器設(shè)計(jì)的積分晶體數(shù)目決定。電磁簇射橫截面的輪廓尺寸用Moli圧e半徑Rm表示，對(duì)于CsI(Tl)晶體，其Moli圧e半徑Rm3.8cm。適宜的積分晶體數(shù)目和小截面尺寸的CsI(Tl)晶體對(duì)位置分辨有好處，但是假設(shè)遠(yuǎn)小于電磁簇射的 Rm，一個(gè)電磁簇射將分配到太多的晶體上， 由于能量泄漏于晶體之間的包裝材料，和太多電子學(xué)通道數(shù)導(dǎo)致電子學(xué)噪聲增加， 能量分辨率會(huì)變差。比擬晶體前端橫截面尺寸分別為 4X4 cm2、4.5 X.5 cm2、5X5 cm2的能量分辨圖4.7- 6和位置分辨圖4.7-7，晶體橫截面尺寸較大的能量分辨好，對(duì)于1GeV的光子，能量

10、分辨分別為2.29%、2.23%和2.07%。但晶體橫截面尺寸越大，量能器的位置分 辨變差，對(duì)于1GeV的光子分別為4.8mm、5.5mm和6mm。圖4.7-7的模擬基于7X7 的晶體陣列，采用找重心的方法測(cè)量入射光子的方向。比擬晶體前端橫截面尺寸分別為 4X4 cm2、4.5 X.5 cm2、5X5 cm2的探測(cè)效率圖4.7- 8沒(méi)有明顯的差異。圖4.7-8中n 0和n 1,表示判定假設(shè)累加晶體的沉積能量時(shí)， 分別為至少有1塊晶體和至少有2塊晶體超過(guò)1MeV。比擬晶體前端橫截面尺寸分別為 4X4 cm2、4.5 X.5 cm2、5X5 cm2的電子學(xué)通道 數(shù)，當(dāng)采用前端橫截面尺寸為 5X5

11、cm2的晶體時(shí)，桶部量能器的電子學(xué)通道數(shù)晶體 數(shù)為5380路，采用前端橫截面尺分別為 4X4 cm2、4.5 X.5 cm2的晶體時(shí)，電子學(xué)通 道數(shù)分別增加約22%和 45%。通過(guò)優(yōu)化，比擬模擬的結(jié)果，BESIII電磁量能器的CsITl晶體典型尺寸采用： 5X5 cm2前端6.5 X.5 cm2后端，長(zhǎng)為28 cm。采用前端截面5X5 cm2的CsITl時(shí), 量能器天頂處單塊晶體覆蓋張角最大，3.04°對(duì)于接近 BESIII能區(qū)最大能量1.5GeV0衰變的兩 的最小夾角10°,至少跨過(guò)3.3塊晶體，即使加上光子位置分辨 的模糊，量能器也能分辨BESIII能區(qū)內(nèi)的二0產(chǎn)生的雙

12、光子。0.02119 H Gi.a o O8 7 6 5 4 3 _o.obob0bo.q O.O.O.O.O.O.i e : m cm"存十十!十Ji" - I J ! 5 " * S'“和 ftTctir'rrrl TnrtBa" mipie:e i Lin:Ii l 朿i:s""Hi! 4 " jiA-；左；-十計(jì)卜十十訊留卑期pf,卜什葉"T-naauiitiII 9 p 111aaI' 1 F 11F|-IIII I I 11JILI I II I 111I:i t | E 3 j

13、 ha| 311 |' - -"i- var*nr "T -i if rI JF i M h I II 卜L_T !i 1 li Ii diib I-!< n a 甲11I I I- I 4 4ILgI -I l!iIII! ! -!：! it任 hi n ii 'i b -bv a i ii liia i ii!: £:2I；I=：；IE： 13nn!311MSSEI：II；E QEl J J53I1Ea SEEI I BillIII I- ®F B! H !“I-I F n I I i'i- i n iiih!iiH&g

14、t;HIIfill HRP他3專I I門齢：I：!:!|! I I!I uJtth-I I* i H H E in T i , “ii 乙ii ! r 上 衛(wèi) 1 ©q cq?Eurb! !|: ! i t t；3：l ; 5 ： Hti臥ha略咖啊齡叫妙用iiinr i0.01 ,10 illI IiHI'£<!*»*fiI 甲ll IIIll-Iiiniiiliii1EJGeV)0.410Mil> Iii i< .i i i n 11 g i 4k4ctrii: iA nr I! ill Aufl H1E,n(GeV)圖 4.7-7C

15、slTI晶體前端橫向截面尺寸為圖 4.7-6圖4.7-6和圖4.7-7分別為 GEANT 模擬4>4cm2, 4.5 >4.5cm2, 5Wcm2的能量分辨和角分辨隨 入射能量的分布。模擬考慮了射線穿過(guò)量能器前端的漂移室、飛行時(shí)間探測(cè)器和量能器電子學(xué)的等效噪聲能量為0.5MeV。二一 一二一一 一二一一二一一 一一-一一一 一二一 一一二 - _J _ I- 亠 a- 3 - - 3 - a- - .3 - a» 9- 3 -a- -a -amBt; - m -3 -a "!:= - - - - - CM “q 0.5 msv norse with 1 Mev

16、threshold690.8O.T0.50.4注* -rr .* ":lT'hil =-ift*-一 ira:-1- r-：0.30.21 Ouololld jo Aouao一專E(n(OeV)HOC 5mm Al. scrow d»3mm,dee?pth Zcm5cm scintillator l.c. single TOF圖4.7-8為GEANT模擬CslTI晶體前端橫向截面尺4Mcm2,4.5 >4.5cm2, 5Wcm2的探測(cè)效率隨？入射能量的分布。4723晶體的排列方向和晶體之間的間隙物質(zhì)間隙由于e+ e_的對(duì)撞點(diǎn)在Z向分布為1.5cm標(biāo)準(zhǔn)偏差，為防

17、止光子直接穿過(guò)晶體之 間的間隙，量能器的晶體排列對(duì)應(yīng)對(duì)撞點(diǎn)在方向和方向有適當(dāng)?shù)钠牵瑫r(shí)晶體之間的間隙盡量小。圖4.7-9顯示了晶體徑向與入射光子的方向有不同夾角的模擬掃 描晶體陣列的實(shí)驗(yàn)，不同角度入射的光子掃描在中心晶體的正中位置時(shí)，總沉積能 量和能量分辨相近，但光子掃描到中心晶體的邊沿位置時(shí)，總沉積能量和能量分辨 相差較大，晶體徑向與入射光子的方向?yàn)榱愣葧r(shí)能量分辨最差?？紤]到機(jī)械的設(shè)計(jì) 和安排，晶體的排列在方向指向中心線有1.5°的偏移；在B向指向?qū)ψ仓行挠?° 3°的偏移。4.53.5&Impact position ( cm )4-圖 4.7-9圖

18、4.7-9為800 MeV的光子以不同角度掃描在中心晶體，在 5>5晶體陣列上的 相對(duì)總能量沉積和能量分辨的分布。晶體之間的復(fù)合物質(zhì)層為0.4mm Teflon +0.05mm Al + 0.4 mm 的碳纖維(CFC)。晶體之間的間隙大小由晶體外面的反射封裝層和晶體的機(jī)械支撐墻的厚度決 定，對(duì)量能器而言是非靈敏材料，當(dāng)光子作用于晶體邊沿區(qū)時(shí)，相當(dāng)于晶體的輻射 長(zhǎng)度減少，總沉積能量降低和能量分辨相對(duì)變差。圖4.7-10和圖4.7-11分別顯示了不同厚度的空氣層和不同的復(fù)合物質(zhì)對(duì)能量分辨的影響，空氣層的影響稍小，復(fù)合 物質(zhì)層的影響稍大，除了必需的反射層0.4mm Teflon + 0.05

19、mm Al之外，分別增加0.4 mm的碳纖維(CFC)和 0.5 mm的鋁(Al)，能量分辨將分別變差約 0.2%和0.4%。 較理想的設(shè)計(jì)是晶體之間除了必需的反射層外不用額外的材料和額外的空間。A 4D aii' + £50 firn air* 9J0 pm tdr 1.25 Umar* nEln=8MMeV? A- 1A tlT* angjf -打 0(叭xLT:nJ (-.!se£ 匕：£> -io-euokg 貢腐盤J肪 5 海# 出 丘 2Impact poLtiont 咖圖4.7-10 800 MeV的光子以1.5°掃描中心晶體

20、，不同厚度的空氣層對(duì)應(yīng)相對(duì)總能量沉積和能量分辨的分布。*4W Al -wn OCo51u*I I II I IiWreflooi+SOM AlImpact posiliont cm)圖4.7-11不同的復(fù)合物質(zhì)對(duì)應(yīng)相對(duì)總能量沉積和能量分辨的分布4724 Csl(TI)晶體的反射材料光收集效率是晶體量能器實(shí)現(xiàn)能量高分辨的重要一環(huán)。由于Csl(TI)晶體擁有較高的折射率(1.8)，滿足于物理和機(jī)械要求的反射材料局限于輕和薄的滿反射膜材料。 光收集效率與反射膜的厚度有一定的關(guān)系(圖4.7-12)，厚膜有高的光收集效率，與物 理的盡量薄的要求相抵。選取聚四氟乙烯(Teflon)膜、Tyvek纖維紙、和

21、Milliper微孔膜進(jìn)行比照實(shí)驗(yàn)， 圖88060402088060402002 1 1 I I4.7- 13顯示Milliper微孔膜和Tyvek纖維紙具有高的反射性能(圖中實(shí)驗(yàn)點(diǎn)10，5, 7, 和8)，Teflon微孔膜(KEK)有較低的效果(圖中實(shí)驗(yàn)點(diǎn)4),并且Tyevk纖維紙有較小 的Z值和十分廉價(jià)的價(jià)格。所以，選定雙層的Tyvek纖維紙(2 >0.13mm)為晶體的反 射材料是適宜的。o 一 one layer of 200im Teflonlp.s shaping time234567E9Levels of 50 um Teflon圖4.7-12 CsI(Tl)晶體相對(duì)光輸

22、出與聚四氟乙烯(Beijing-Teflon)膜反射材料的厚度的關(guān)系1.0 0DJ010CG77G 1 L millipo re (1D6)-IL Tyv«h(1VD) Beijing T KEK Teion(2 0t)XAI -2 L milipc r« of IDS)-1 L mill|>ora(10BX1 *- Tyvek(13 0) 2 L Tyv*k of 130 2 L Tyvfek of 13D 1 L KEk T«fion(2t)D)+AIMyl3r D-2L 0 .1 milliporeI 1-2 L 1 .2 millip ora1502

23、0D25D30D350thickn ess of wra p ping (m icrom eters)圖4.7-13 CslTI晶體封裝各種反射膜的相對(duì)光輸出硅光二極管測(cè)量比擬4725晶體在長(zhǎng)度方向的發(fā)光非均勻性由于晶體的形態(tài)是楔形的，光收集在大端面，加上晶體內(nèi)部的質(zhì)量缺陷和熒光 激活劑鉈TI含量的非均勻性，光的收集對(duì)晶體在長(zhǎng)度方向的發(fā)光是非均勻性的，并 且通過(guò)光電倍增管和硅光二極管的讀出二者的光譜相應(yīng)和光電器件的耦合方式有所 差異的非均勻性有差異圖4.7-14。發(fā)光的非均勻性，除會(huì)引起能量線性問(wèn)題外可通過(guò)離線數(shù)據(jù)分析修正，還將影響能量分辨。晶體的發(fā)光非均勻性可通過(guò)某些技術(shù) 上的處理，如局部的

24、晶體外表拋毛或反射層的涂色，減弱輸出光高的區(qū)域以到達(dá)發(fā) 光均勻性。dffllp ) PEL二呂二 n280276 -272268 -2tl -256 -262 -248 -244 -measured by ®CqAASnnidai crystal3.5 citix3.5 cm*-4.5 ctrx4.5 Crn * 1=25 Crn PD readout ( t =1 典寫(xiě)) u=9.2?i i PNir readout (fiate 1 jis ) u=2%二目0 Iii1i1i'i'i0510152025Instance tyoin Fhotondetector (

25、 cm )圖4.7-14利用光電倍增管和硅光二極管測(cè)量CsITI晶體相對(duì)光輸出的差異4726不同晶體生產(chǎn)廠家的晶體發(fā)光性能和抗輻照強(qiáng)度1. 晶體的相對(duì)光輸出從不同晶體生產(chǎn)廠家的晶體相對(duì)光輸出(圖4.7-15)比擬，國(guó)產(chǎn)晶體shanghai和 Bejing的比擬接近，與法國(guó)Crismatec的晶體沒(méi)有明顯差異。751 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1A Shanghai CnsmatecIlli 菲 Ukraine 口 BeijingPD-test e/McV70 一5 cittxScni6u55 ctti 8 rm65口70DII60米55一60 no50AA A -15刊IH)40c

26、r>pstal size:4cnix5 cm>24cm(L)A A-血400D35A301111L1LLIlli1 1 1 112345678 Q 101112 13 H 15Ordinal numter of crystals(equivalent z Teflon layer with the thickness of 200u)圖4.7-15不同廠家提供CsI(Tl)晶體樣品的相對(duì)光輸出的比擬上圖中左側(cè)坐標(biāo)為用光電倍增管系統(tǒng)測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)晶體的光輸出；右側(cè) 坐標(biāo)為用硅光二極管系統(tǒng)測(cè)量的光輸出 (光電子數(shù)/MeV)；實(shí)線左側(cè)和右側(cè)分別 為不同尺寸的晶體的比擬。2. 抗輻照性能強(qiáng)

27、輻照下會(huì)使Csl(TI)晶體的光輸出減少。輻照參考 Barbar和Belle量能器的輻 射環(huán)境，端蓋區(qū)輻射劑量分別為 250rad/年和40 rad/年。由于晶體在輻照后其輻照 損傷有一定的恢復(fù)能力；而輻照使晶體內(nèi)部產(chǎn)生色心，增加了某些光波段的吸收， 影響閃爍光在晶體內(nèi)部的光傳輸。所以輻照引起的光輸出減少與輻照劑量率和晶體 的長(zhǎng)度有關(guān)。BESIII量能器要求CsI(Tl)晶體的抗輻照性能為光輸出變化要求小于 10%/Krad,而在60Co源的短期高劑量輻照下閃爍光輸出變化要求小于20%/Krad(圖4.7- 16)，圖4.7-17中，Sh1和Sh3分別為原材料來(lái)源于不同產(chǎn)地的晶體。Ciytta

28、l 4x4L ：24cm * 2 ®.9.9J.0.8Crystal size 3X3 cm L: 12 cm0 850 30Rad內(nèi).15D|Rac| 八PT汗更 2>C6PH 751C圖4.7-16不同生產(chǎn)家的Csl(TI)大晶體的抗輻射性能比擬Sh1 Shanghaish3 &二:一昌跖j嚨"國(guó)&一50 (RitJ)口13 &號(hào)100r -朗號(hào)、盟盤BaaRad)200月 14號(hào) 1lOQ<Pad>圖4.7-17不同生產(chǎn)家的小晶體的抗輻射性能比擬電子學(xué)讀出圖4.7-18顯示電子學(xué)讀出的示意。每塊晶體耦合二塊硅光二極管。每塊硅光

29、二 極管連接一個(gè)電荷靈敏前置放大器。二路前放的信號(hào)以兩路平均、或其中之一的三 選一方式耦合到一路主放大器。主放大器的成形時(shí)間為1-So有兩路輸出，一路輸出信號(hào)通過(guò)多路相加提供中性事例判選觸發(fā)。另一路輸出進(jìn)入到Q Modul，通過(guò)三路不同的放大(X1 , X8 , X32)分為三路不同大小的脈沖，各通過(guò)FADC進(jìn)行尋峰測(cè)量, FADC的采樣周期為50ns。數(shù)據(jù)被連續(xù)采樣送入一個(gè)計(jì)存器陣列，其計(jì)存器陣 列可容納寬度為6.4七的采樣數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)循環(huán)保存。等到一個(gè)同步的好事例判選 觸發(fā)信號(hào)(延遲6.4蟲(chóng)，其中晶體的信號(hào)已被采樣了 4.7七)，開(kāi)始實(shí)行尋峰測(cè)量，尋峰 采樣窗口為3七。輸出三組數(shù)據(jù)，每組

30、包含一個(gè)脈沖信號(hào)峰的幅度信息和峰位對(duì)應(yīng)的 采樣周期序數(shù)。三組數(shù)據(jù)的尋峰量程構(gòu)成15位ADC量程，對(duì)應(yīng)覆蓋2.5GeV的能量沉積。具體線路在電子學(xué)局部專門詳述。圖4.7-18 CslTI晶體探測(cè)器的電子學(xué)讀出的示意電子學(xué)的成形時(shí)間將影響到晶體的光信號(hào)脈沖輸出和電子學(xué)的噪聲水平圖4.7- 19和圖4.7-20。選取電子學(xué)主放大的成形時(shí)間為WS,此時(shí)輸出信號(hào)的上升和下降沿分別約3考慮到單塊晶體輸出噪聲各種噪聲為數(shù) kHz的量級(jí)， 噪聲對(duì)信號(hào)的迭加月約為1%。當(dāng)輸出信號(hào)與入射粒子能量相對(duì)應(yīng)時(shí)，形成了等效噪 聲能量水平。每塊晶體讀出電子學(xué)的等效噪聲能量要小于220KeV，相當(dāng)于讀出電子學(xué)的噪聲水平要小于

31、1100電子。除純的電子學(xué)的噪聲外，處在加束器速流環(huán)境中的 電子學(xué)系統(tǒng)還將產(chǎn)生感應(yīng)噪聲，導(dǎo)致最終輸出的噪聲水平約為0.5MeV。Shaping time (is)圖4.7-19主放大器的成形時(shí)間對(duì)CsITl晶體探測(cè)器的光脈沖輸出的關(guān)系1 600 一single RD (S2744-08)1 400 一1 200 1 000 一800 -0 .00.51 1 .52.02.53j03.54 4.55 0Shaping time (ps )圖4.7-20主放大器的成形時(shí)間對(duì)電子學(xué)讀出噪聲的影響量能器的預(yù)期性能能量分辨率1. 能量分辨率通過(guò)GEANT模擬28cm長(zhǎng)的Csl(TI)晶體量能器的能量分辨

32、率與入射 射線能量 的分布關(guān)系(圖4.7-21),在低能區(qū)，能量分辨率主要是電子學(xué)噪聲的奉獻(xiàn)。高能區(qū)， 影響能量分辨率的主要因素為非靈敏物質(zhì)(前端的探測(cè)器)中能量損失和晶體后端的 能量泄漏的漲落。在模擬中，能量沉積包括了以擊中晶體塊為中心的5X5的晶體陣列；前端的探測(cè)器(MDC和TOF)的材料以非靈敏物質(zhì)考慮；每塊晶體讀出電子學(xué)的 噪聲水平為0.5MeV ;硅光二極管本身對(duì)粒子的響應(yīng)信號(hào)以1:50的因子與晶體信號(hào)迭加；晶體的光輸出非均勻?yàn)?%,由遠(yuǎn)點(diǎn)遞增到近硅光二極管點(diǎn)。0.5 IMeV nOise with 0T5MeV threshold匸011LU 0.1=OO9° 0.080

33、.070.060.050.040.030.020.01f EE-二肩K« I »«« 瞽« +二Til £« lid - 0- - - »-_1二IEGeV)圖 4.7-21圖4.7-21為GEANT模擬CsI(Tl)晶體量能器的能量分辨率，射線穿過(guò)漂移室、 飛行時(shí)間探測(cè)器，入射到CslTI晶體，電子學(xué)的等效噪聲能量為0.5MeV，泄漏粒子 在硅光二極管上作用的等效CsITI晶體能量沉積因子為50倍。2. 硅光二級(jí)管的粒子效應(yīng)對(duì)能量分辨率的影響由于硅光二級(jí)管本身就是半導(dǎo)體探測(cè)器件，泄漏粒子在硅光二級(jí)管上可直接產(chǎn) 生

34、信號(hào)并與晶體的信號(hào)迭加 ，每塊晶體耦合兩塊硅光二極管S2744 08讀出，硅 光二極管靈敏材料厚300皿上的最小電離約為240 KeV，產(chǎn)生66.3K個(gè)電子的信 號(hào)，假設(shè)晶體的平均光產(chǎn)額為5000光電子/MeV 圖4.7-15，直接作用硅光二極管的 信號(hào)輸出等效CsITl晶體的能量因子約為50,單個(gè)帶電粒子在硅光二極管3005 厚 上的最小電離等效CsITl晶體的能量為11MeV。通過(guò)GEANT模擬研究，在入射能 量為0.5GeV和1GeV時(shí)，硅光二極管產(chǎn)生信號(hào)的幾率分別為 2%和5%，由于其產(chǎn)生 的幾率較小，對(duì)能量分辨的影響不大。3. 束流本底對(duì)能量分辨率的影響由于電子學(xué)的噪聲在束流對(duì)撞環(huán)境

35、中高達(dá) 0.5MeV的水平。隨機(jī)觸發(fā)的噪聲超過(guò) 1 MeV水平的晶體數(shù)將超過(guò)15%，F(xiàn)ADC采樣窗口為3七，在一個(gè)好事例中將伴隨著 近千個(gè)難辯真?zhèn)蔚男⌒盘?hào)。假設(shè)可區(qū)分好事例與的噪聲信號(hào)的時(shí)間信息峰位的采樣周期序數(shù)，即可排除90%以上的噪聲信號(hào)。由于每塊晶體的信號(hào)讀出， 除脈沖幅度峰 值之外，還有一個(gè)較粗精度的時(shí)間信息0.1s，在離線數(shù)據(jù)的分析中，可以尋找 大幅度信號(hào)的時(shí)間信息作為標(biāo)志，其它信號(hào)與其比照，相差較遠(yuǎn)的將判定為噪聲信 號(hào)或非同步的信號(hào)。為充分發(fā)揮FADC采樣的眾多信息，在輸出尋峰數(shù)據(jù)時(shí)，還須扣除此脈沖起點(diǎn) 前觸發(fā)信號(hào)到達(dá)之前的4.7七的電子學(xué)臺(tái)階數(shù)值。而臺(tái)階數(shù)值至少是一個(gè)采樣點(diǎn)。4.

36、 晶體在長(zhǎng)度方向的發(fā)光非均勻性對(duì)能量分辨的影響由晶體遠(yuǎn)點(diǎn)到近硅光二極管點(diǎn)，設(shè)晶體的光輸出非均勻分別遞增為 0, 5%，10% 和15%時(shí)，利用GEANT模擬其對(duì)能量分辨的影響圖4.7-22。與光輸出均勻的晶體 比擬，10%的非均勻情況能量分辨在低于 500MeV的能區(qū)約變差0.5%。所以，晶體 在長(zhǎng)度方向的發(fā)光非均勻是必須要限制的，擬定為小于5%。Ein(GeV)圖4.7-22晶體在長(zhǎng)度方向的發(fā)光非均勻性對(duì)能量分辨的影響4742位置分辨率光子在晶體內(nèi)發(fā)生簇射，將有多個(gè)晶體有能量沉積的信息。光子位置確實(shí)定是.allall利用簇射的重心Xcg計(jì)算：XcgXiEi八Ei，其中Xi和Ei分別是晶體中心

37、位置和能量沉 ii積。對(duì)于晶體的不同位置上的位置分辨，中心部位差于邊沿部位圖4.7-23。平均的位置分辨與入射光子的能量的關(guān)系如圖 4.7-24。2 £ 1.75 £ 15 tl.250.5 MeV noise with MY thresholdl T T r 1 1 r l ' ' r f900腫1 -0.750.5;0.25-D-6°ooI. L1 丄 J I I I 20246with 1 MeV ihreahald1066ii：;Ti'rrTnn'iirnhttl-l Gl耳.EV)6 4- 211-1 (e£XO

38、 -r"r"i''H'HrX|ncm圖4.7-23 800 MeV的光子掃描中心晶體的位置分辨圖4.7-24為位置分辨與入 射光子的能量的關(guān)系4743探測(cè)效率探測(cè)效率定義為在某單一入射能量的沉積能量的分布中，超過(guò)3倍匚的區(qū)域?yàn)樵撃芰刻綔y(cè)的失效區(qū)。由此定義的探測(cè)效率在高能區(qū)約為80%圖4.7-25,低能區(qū)，由于量能器前端物質(zhì)的作用，探測(cè)效率更低。Eln(GeV) MDC 5mm Al, screw U>3mmtdeepth 2cm 5cm sciniillalor i.e_, single TOF圖4.7-25為量能器對(duì)應(yīng)的探測(cè)效率4744e/二

39、分辯由于二在晶體中電離作用和核作用，e/“：分辯隨粒子能量是不同的，其中主要是 二 核作用的影響。二在晶體中通過(guò)最小電離沉積能量約160MeV，其強(qiáng)核作用區(qū)在300MeV左右。當(dāng)有二的污染時(shí)對(duì)e會(huì)產(chǎn)生誤判。二和e在量能器中的行為在大于300MeV 時(shí)有明顯的差異，e的沉積能量作用的晶體數(shù)和總沉積能量，都大于相應(yīng)的二的數(shù)值。在低能區(qū)，e/的分辯主要由徑跡室的dE/dX提供，高能區(qū)可通過(guò)兩個(gè)判定條件區(qū)分， 一是9塊晶體數(shù)的沉積能量與25塊晶體數(shù)的沉積能量之比；二是帶電粒子入射能量 上in (由徑跡室提供的動(dòng)量計(jì)算)與帶電粒子在量能器的沉積能量之比。即E9 /E25二：(Ein)和E25W(Ein)

40、。系數(shù):,-由具體的數(shù)據(jù)刻度而定。圖 4726顯示了 1GeV能量的e 和二在量能器內(nèi)能量沉積分布，而對(duì)入射粒子能量在300 MeV到1GeV的區(qū)域，二者 的能量沉積分布只是e的沉積能量峰更靠近二的最小電離沉積能量峰位。以e的沉積 能量峰前沿的3二為閾值判定e,在有二的污染時(shí)對(duì)e的誤判隨能量的關(guān)系(圖4.7-27)。Q c-1 .1A曇tn倉(cāng)怎話0 8 7 6 5 4(善_«£2o1圖4.7-27為有二的污染時(shí)的e的誤判率圖4.7-26 1GeV的e和二在 量能器內(nèi)能量沉積分布4745能量線性能量線性主要是由晶體長(zhǎng)度有限的能量泄漏和晶體之間的非靈敏物質(zhì)的能量吸 收造成的，能

41、量高，能量的泄漏和吸收越多。當(dāng)然，晶體的發(fā)光非均勻性也是其中 之一。圖4.7-28顯示了晶體內(nèi)的沉積能量與入射能量之比隨入射能量的分布，低能 區(qū)的變化較大。能量線性問(wèn)題，可通過(guò)對(duì)撞運(yùn)行收集ee?ee, ee? 和ee?X二0的事例進(jìn)行修正。0*5 MeV noise with 1 MeV threshold巴 0.98tn屏 0.960.940.92r I V M »j6x5 matrix(Sx3 matrix00.511.52EinGeV圖4.7-28晶體內(nèi)的沉積能量與入射能量之比隨入射能量的分布475量能器的根本構(gòu)造量能器由桶部和端蓋兩局部組成圖4.7-29，以正電子束流為中心軸

42、向，桶部覆 蓋角146.5° 33.5° cos日0.83,桶部?jī)?nèi)半徑為94cm,內(nèi)長(zhǎng)為275 cm。端蓋位于 對(duì)撞點(diǎn)Z二±138cm區(qū)，內(nèi)半徑為50cm,覆蓋角從32.5° 21.3° cos日0.93,總立 體角為93%/4n,在桶部和端蓋接合部有5cm寬的縫隙，用于機(jī)械上的支撐、內(nèi)部探 測(cè)器的電纜和冷卻管道的通過(guò)。桶部晶體排列共有44圈，每圈120塊，對(duì)撞中心9向的左右二局部的每圈晶體，除第一圈外，各都指向距對(duì)撞中心_5cm的點(diǎn)，每層的晶體在©方向指向中心線有1.5°的偏移。兩個(gè)端蓋量能器各由兩個(gè)半園環(huán)組成， 在徑向共

43、分為6層晶體結(jié)構(gòu)，每層晶體各指向距對(duì)撞中心 _10cm的點(diǎn)。每圈的晶體 在©方向相對(duì)于對(duì)撞點(diǎn)旋轉(zhuǎn)1.5°。桶部和端蓋共6272塊晶體，約重24噸。圖4.7-29晶體分布示意圖桶部晶體的形態(tài)和尺寸圖4.7-30,由于指向中心線某一點(diǎn)的要求，晶體的截面為斜方形，前側(cè)面的邊長(zhǎng)約為5cm，后側(cè)面的邊長(zhǎng)約為6.5cm,為了晶體生產(chǎn)和機(jī)械加工的方便，有兩邊對(duì)應(yīng)前后面為直角面，所有晶體的長(zhǎng)度全為28cm。端蓋局部的晶體尺寸較復(fù)雜，由于每圈晶體的半徑變化較大，而每個(gè)端蓋由兩個(gè)半圓組成，靠 近半圓邊界的晶體與內(nèi)鄰的晶體的尺寸不一定相同。附表1給出各晶體編號(hào)的具體尺寸和角度。桶部的晶體排列為左

44、右根本對(duì)稱， 左邊的22圈晶體尺寸與右邊的22圈晶體尺寸接近相同。桶部的晶體有44個(gè)晶體編 號(hào)，對(duì)應(yīng)桶部的44圈晶體，每個(gè)晶體編號(hào)各有120塊晶體，桶部共5280塊晶體。左右兩個(gè)端蓋的晶體排列相同，晶體編號(hào)從23號(hào)到34號(hào)，其中23-28號(hào)對(duì)應(yīng)從 內(nèi)層到外層的六圈晶體；29-34號(hào)對(duì)應(yīng)六圈半圓邊晶體，各有 8塊晶體，共有72晶 體塊；端蓋共有992塊晶體。4.7.6 Csl(TI)晶體的質(zhì)量對(duì)Csl(TI)晶體質(zhì)量的要求主要有平均光輸出，光輸出均勻性，外形尺寸精度和 抗輻射強(qiáng)度四個(gè)主要參數(shù)來(lái)控制。光輸出采用一個(gè)絕對(duì)定義：光電子數(shù)/MeV。耦合兩塊硅光二極管(S2744- 08)讀 出，包裝兩層

45、130m厚的Tyvek漫反射層和采用1Js的成型時(shí)間的條件下，光輸出 大于6000光電子。光輸出除與以上三個(gè)條件有關(guān)外，還與晶體光輸出面的幾何尺寸 有關(guān)，由于耦合硅光二極管的剩余面仍有反射層，光輸出不是成比例的關(guān)系。在測(cè)量方法上，由于耦合硅光二極管方式的收集光效率低和電子學(xué)噪聲大，利 用光電倍管測(cè)量可得到較高精度的結(jié)果。測(cè)量裝置如圖4.7-31所示：2英寸直徑的光電倍增管(Bialkali光陰極)輸出經(jīng)線性扇出分路，一路經(jīng)甄別到門產(chǎn)生器再到 ADC 門控，門寬為1Js，另一路通過(guò)延遲到ADC。用137Cs-662KeV射線源通過(guò)一個(gè)3cm 厚的鉛準(zhǔn)直孔(孔徑3mm)，掃描測(cè)量晶體，在長(zhǎng)度方向，

46、等距測(cè)量8個(gè)點(diǎn)，各點(diǎn)相距3cm。第一點(diǎn)距晶體大頭端邊緣2cm，光電倍增管與晶體大頭端面之間保持約0.3mm的空氣間隙，測(cè)量閃爍光輸出(137Cs 662KeV射線的全能峰位)，并與一塊 小CsI(Tl)標(biāo)準(zhǔn)參考晶體C： 2英寸，長(zhǎng)2英寸)的閃爍光輸出比擬，給出平均光輸出。平均光輸出 N=8SaveSi1 -hi式中Si為各測(cè)量點(diǎn)的光輸出；平均光輸出與標(biāo)準(zhǔn)參考晶體光輸出的比例，要由 一塊大晶體通過(guò)硅光二極管讀出時(shí)大于6000光電子的測(cè)量而定。4762光輸出均勻性Smax - SminSave<5%式中Smax， Smin，Save分別表示8個(gè)點(diǎn)中光輸出的最大值，最小值和平均值。圖4.7-3

47、1 Csl(TI)晶體光輸出測(cè)量裝置示意圖4763抗輻照性能在批量生產(chǎn)過(guò)程中抽測(cè)專門提供的樣品(1 1 2cm3)做抗輻照性能測(cè)試，至少每一 批不同的來(lái)料測(cè)量?jī)纱魏图s100塊的批量生產(chǎn)提供一塊輻照測(cè)試樣品，在 60Co源輻 照下閃爍光輸出變化要求小于 20%/Krad。4764晶體的外形尺寸晶體所有側(cè)面的機(jī)械精度要求為：+0和-200»m;晶體長(zhǎng)度為：280 mm ±1mm。4.7.7 Csl(TI)探測(cè)器單元和單元的測(cè)量探測(cè)器單元的結(jié)構(gòu)探測(cè)器單元由CsI(Tl)晶體和硅光二極管讀出系統(tǒng)組成。 CsI(Tl)晶體單元的制作 過(guò)程必需在枯燥、恒溫的環(huán)境(濕度小于 15%)中完

48、成。晶體的5個(gè)面(除大端面) 包裝260厚的纖維紙(Tyvek)漫反射層，外面再包裝25的鋁膜和25啲聚脂復(fù)合膜。鋁膜的作用是防止地電位的干擾，并與本單元信號(hào)地相通。絕緣聚脂膜，除隔離晶 體與晶體之間的地聯(lián)系，還隔斷與支架的地電位干擾。晶體的大端面為光收集窗口， 在窗口正中間，用光學(xué)環(huán)氧樹(shù)脂粘接一塊3mm厚的有機(jī)玻璃，尺寸為2.1cm&.5cm圖4.7- 32，用同樣的膠在有機(jī)玻璃上面粘接二塊型號(hào)為S2744-08的硅光二極片。粘接前必須用特殊的液體清洗晶體和材料的外表。有機(jī)玻璃片的四周窗口剩余局部 覆蓋500m厚的纖維紙反射層。通過(guò)特殊的工藝在晶體四邊中線位加工四個(gè)螺釘孔， 用自攻木

49、螺釘固定一塊尺寸接近晶體大端截面中間空缺留有硅光二極管的位置的鋁 基板厚8mm，在鋁基板的上方，鋁基板另有四個(gè)螺絲孔，可以將前放屏蔽盒固定 在鋁的基板上，所有的金屬屏蔽晶體外層包裝的鋁膜，鋁基板，前放屏蔽盒都 相互連接，并與前放的地連接，起到防止外部噪聲干擾的作用。在前放屏蔽盒的側(cè)部有一長(zhǎng)孔，固定監(jiān)測(cè)monitor光纖。光纖頭光纖頭帶有金 屬套可在此插入，并穿過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)好的鋁基板孔和晶體后端面覆蓋的反射層 到達(dá)晶體端面上。前置放大盒鋁板硅光二極管有機(jī)玻璃TYVE和鋁復(fù)合膜Csl(TI)固定鋁板和CsITl晶體的螺孔CsI(Tl)鋁板硅光二極管有機(jī)玻璃固定前置放大盒的螺孔圖4.7-32 CsIT

50、l晶體探測(cè)器單元的結(jié)構(gòu)4772硅光二極管硅光二極管采用HAMAMATSU生產(chǎn)的產(chǎn)品，型號(hào)為S2744- 08,外尺寸14.2mm 27mm，靈敏面積1cm 2cm，厚度300"m。其硅光二極管的根本特性如下：光靈敏度： SA/W=0.36波段 540nm,光電轉(zhuǎn)換效率：QE80%，電容：85pF，溫度系數(shù)：1.12 time/°C,暗電流：3nA,典型工作偏壓：70V。硅光二極管面積大小確實(shí)定依據(jù)以下幾個(gè)因素：(1) 從產(chǎn)品的可靠性和經(jīng)濟(jì)性考慮，選用標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)產(chǎn)品，目前商業(yè)產(chǎn)品靈敏面積 有以下尺寸：1cm 1cm， 1cm 2cm，1.8cm 1.8cm, 2.8cm 2.8

51、cm由于1cm 2cm型的用量大，價(jià)格廉價(jià)，應(yīng)選擇靈敏面積1cm 2cm的硅光二極管。(2) 由于窗口剩余局部也覆蓋反射層，光的收集效率與硅光二極管的靈敏面積 (Spd)的增加有小于正比的關(guān)系，能量分辨：.Spd，而電子學(xué)噪聲對(duì)單片二極管正 比于Spd。(3) 每塊硅光二極管連接一路前放，每塊晶體有兩塊硅光二極管，主放為一路， 總的噪聲正比于1.4xSpd，并且平安性增加了。(4) 泄漏粒子擊中的數(shù)目正比于硅光二極管面積，產(chǎn)生的附加信號(hào)與泄漏粒子在硅光二極管中沉積的能量成正比，并有 50倍的等效晶體能量沉積。硅光二極管需經(jīng)過(guò)溫度的老化，在接近 80?C溫度下老化600小時(shí)，可以暴露出 某些有缺

52、陷硅片，其表現(xiàn)為暗電流增大。所有硅光二極管在經(jīng)過(guò)溫度老化后還需要 以下過(guò)程：(1) 在反向偏壓(70V)下的電容值測(cè)量暗電流測(cè)量(3) 在固定的前放、主放，利用裝置(圖4.7-33)，測(cè)量241Am峰位和噪聲水平。(4) 標(biāo)簽記錄尋241Am蒲圖4.7-33硅光二極管、前置、主放大器的測(cè)量裝置示意圖，測(cè)量裝置可同時(shí)測(cè)量4路4773電荷靈敏前置放大器單路硅光二極管加前置放大器的噪聲水平小于800 e，探測(cè)器單元包括Csl晶體和讀出電子學(xué)的電子學(xué)噪聲水平為1100e,其等效噪聲能量水平約為 220 KeV。所有的電荷靈敏前放，需耦合固定的硅光管二極管和配合固定的主放大器，使 得所有量能器單元有盡可

53、能相近的放大倍數(shù)。測(cè)量裝置如圖4.7-35所示，用241Am x射線照射硅光二極管，測(cè)量其噪聲水平和60 KeVx射線峰位，標(biāo)定各路讀出電子學(xué)的相對(duì)放大倍數(shù)并做標(biāo)簽記錄。4774探測(cè)器單元的光輸出均勻性測(cè)量在探測(cè)器制造過(guò)程中，晶體的外形尺寸測(cè)量和發(fā)光性能測(cè)量應(yīng)在生產(chǎn)廠家完成， 高能所負(fù)責(zé)驗(yàn)收和復(fù)測(cè)驗(yàn)收。之后進(jìn)行晶體和硅光二極管的粘接、前放盒的安裝， 最后組成一個(gè)獨(dú)立完整的探測(cè)單元。由于晶體的發(fā)光和前置放大器的放大倍數(shù)等都有差異，需要做適當(dāng)部件調(diào)配， 使得各探測(cè)單元等能量輸出信號(hào)最后盡可能差異不大。在晶體探測(cè)器單元完成后， 須采用宇宙射線裝置示意圖4.7-34測(cè)量各單元的差異。宇宙射線垂直穿過(guò)橫

54、躺的晶 體時(shí)，大約沉積25MeV的能量。如果將入射位置在晶體長(zhǎng)度方向分成 8個(gè)區(qū)，并確 定入射粒子的徑跡長(zhǎng)度，定位精度為 -3mm，在積累約4000個(gè)宇宙射線事例的情況 下，得到每個(gè)區(qū)的每厘米光輸出的分布，譜形分布約定10%，峰位精度可望到達(dá)2%。宇宙射線測(cè)量裝置一次可以測(cè)量 40個(gè)晶體探測(cè)單元，連續(xù)測(cè)量約 48小時(shí)。同 時(shí)，測(cè)量裝置還包括隨機(jī)刻度脈沖產(chǎn)生器和簡(jiǎn)單的氙燈 一光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，前者標(biāo)定 電子學(xué)的放大倍數(shù)和臺(tái)階，后者選定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)末級(jí)光纖，標(biāo)定出晶體探測(cè)單元 的氙燈光脈沖與宇宙射線測(cè)量的相對(duì)關(guān)系，并將宇宙射線測(cè)量的數(shù)據(jù)作為晶體探測(cè)單元的根本數(shù)據(jù)漂移室?(KY1融發(fā)探測(cè)器戌雙端讀出Caimis體探測(cè)單亓漂移室日(KYJ時(shí)間平均或融發(fā)人6 chHi寸)1甄別磁日3 cha