北京譜儀端蓋飛行時間探測器升級改造的MRPC性能研究.pdf

1、北京譜儀(BESⅢ)是基于τ-charm能區(qū)的大型科學實驗裝置，其研究的對象是(τ)-charm能區(qū)的相關物理（如輕強子，charm物理，輕子物理，c介子等），這些對完善標準模型(Standard Model)理論，尋找新物理有著十分重要的意義。在北京譜儀實驗中飛行時間探測器(TOF)對于帶電強子（如π介子，K介子和質(zhì)子等）的鑒別具有重要的作用。北京譜儀的飛行時間探測器是基于塑料閃爍體(BC404)和光電倍增管(R5924)，桶部BTO

2、F能達到90 ps，端蓋ETOF能達到138 ps，對于π/K粒子鑒別能到1.1 GeV的動量。端蓋ETOF設計是單層閃爍體，單端讀出，其中電子擊中主漂移室電纜等引起的多次散射(multihits)是影響ETOF時間分辨的主要因素。為了提高譜儀整體的粒子鑒別能力，因此對ETOF進行升級以提高其時間分辨能力。
　　MRPC作為新型氣體探測器具有以下優(yōu)點:探測效率高，時間分辨好，制作成本價格較低，并且對光子不靈敏。這些優(yōu)點使得它作為新

3、一代的飛行時間探測器被應用于高能物理實驗。自2012起B(yǎng)ESⅢ ETOF合作組開始了MRPCETOF升級改造項目。該項目要求MRPC探測器對于最小電離粒子本征時間分辨小于60 ps，探測效率大于96％，電子學系統(tǒng)的時間晃動要求小于25 ps。整個ETOF系統(tǒng)時間分辨小于100ps，滿足在2σ準確率下π/K的鑒別能力提升到1.4 GeV。并保證其升級之后的ETOF系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作。
　　筆者有幸在博士研究生期間作為聯(lián)合培養(yǎng)學生，赴中

4、國科學院高能物理研究所北京正負電子對撞機國家實驗室參與了BESⅢ ETOF升級項目。論文研究期間參與了ETOF系統(tǒng)束流實驗，ETOF系統(tǒng)宇宙線測試實驗，ETOF升級工程安裝以及BESⅢ ETOF性能分析。
　　MRPC探測器在北京正負電子對撞機E3線上進行多次束流測試性能實驗。針對800 MeV下高統(tǒng)計量的質(zhì)子進行高壓掃描，閾值掃描，讀出條掃描。其結果顯示高壓大于±7000 V之后，分辨和效率進入坪區(qū)，平均時間分辨～40 ps，探

5、測效率＞98％;讀出條掃描實驗顯示讀出條探測效率97％～98％，時間分辨34 ps～47 ps，各讀出條性能均勻性較好;對于0.6GeV～1.2GeV動量范圍內(nèi)的質(zhì)子和π介子的動量掃描實驗，結果顯示隨著動量的增加，質(zhì)子分辨略顯變好趨勢，π介子分辨幾乎不變。這些研究對于ETOFMRPC探測器的設計和定型奠定了基礎，為探測器的性能進行前沿性分析和研究。
　　論文工作期間針對ETOF電子學進行了相關的性能測試和分析。包括電子學系統(tǒng)的時間

6、分辨測試，抗輻射實驗，前端電子學散熱測試。研究結果顯示:電子學系統(tǒng)的時間分辨結果大約25 ps，強輻射劑量下性能穩(wěn)定在30 ps以內(nèi)，其中前端電子學放大板性能隨著隨著外界溫度緩慢變化。整個電子學系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能良好，可承受超過43500 rad累積劑量的背景輻射滿足升級的要求。
　　ETOF系統(tǒng)各部分（包括MRPC探測器，前端電子學，后端電子學，氣體系統(tǒng)等）批量生產(chǎn)完成之后，為了保證整個系統(tǒng)能夠符合升級要求，搭建了系統(tǒng)測試平臺進

7、行了ETOF系統(tǒng)宇宙線測試，結果顯示宇宙線環(huán)境下MRPC探測器的本征時間分辨小于60 ps，探測效率大于96％，ETOF整體系統(tǒng)（包含電子學和其他晃動）時間分辨小于80 ps，系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定工作。我們在北京譜儀現(xiàn)場做了譜儀環(huán)境噪聲測試和MRPC樣室性能實驗。譜儀環(huán)境噪聲測試實驗結果顯示，噪聲對探測器影響可以忽略。針對MRPC樣室的性能研究，結果顯示在±7150 V和閾值110 mV條件下能能最優(yōu)。沿著讀出條不同位置分辨在50～55 p

8、s，探測效率平均為97.5％。
　　2015年9月份，ETOF升級工程全面完成，Bhabha事例結果顯示，ETOF/MRPC單端讀出時間分辨能～70 ps雙端讀出～60 ps，探測效率98％.在端蓋平面上沿著ψ方向，以及沿著R徑向和讀出條的方向其效率在和分辨均勻性和一致性很好。相比較Alice TOF時間分辨～90 ps，STAR TOF時間分辨～80 ps，北京譜儀ETOF時間分辨有較大的提高。BESⅢ ETOF升級項目完滿完成