塑料閃爍體型飛行時(shí)間計(jì)數(shù)器的研究.pdf

1、本論文首先簡(jiǎn)要地介紹了粒子物理和粒子探測(cè)器的歷史和現(xiàn)狀。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子學(xué)的發(fā)展，高能物理對(duì)粒子探測(cè)器的性能要求越來(lái)越高，能否發(fā)現(xiàn)新的粒子和物理現(xiàn)象取決于大型探測(cè)器的整體性能。北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(BeijingElectronPositronCollider，BEPC)由直線加速器、束流運(yùn)輸線、儲(chǔ)存環(huán)和北京譜儀(BeijingSpectrometer，簡(jiǎn)稱BES)組成，是我國(guó)進(jìn)行高能物理實(shí)驗(yàn)的一個(gè)很重要的大型儀器，憑借它使我國(guó)在

2、國(guó)際高能物理研究中占有一席之地。雖然過(guò)去曾取得一些重大成果，但現(xiàn)在該探測(cè)器已經(jīng)老化了，并且隨著國(guó)際高能物理的快速發(fā)展，它已很難繼續(xù)保持在τ-粲能區(qū)物理研究的領(lǐng)先地位。因而，現(xiàn)在正需要在過(guò)去成功運(yùn)行的基礎(chǔ)上對(duì)BEPC/BESⅡ進(jìn)行升級(jí)改造，大幅度提高其性能，從而繼續(xù)取得國(guó)際高水平的物理成果。然而，大型探測(cè)器整體性能的好壞取決于每個(gè)子探測(cè)器的好壞，只有將每個(gè)子探測(cè)器設(shè)計(jì)好并精確地安裝，升級(jí)改造工程才可能圓滿完成。 本論文的核心主要是

3、對(duì)塑料閃爍體型飛行時(shí)間計(jì)數(shù)器(TimeofFlight，TOF)的研究。該探測(cè)器是正在建造中的BESⅢ一子探測(cè)器，它鑒別動(dòng)量小于1GeV/c的帶電粒子K/π的能力是很強(qiáng)的，同時(shí)它也提供快觸發(fā)和事例定時(shí)信息。由于其技術(shù)較成熟，這種探測(cè)器應(yīng)用相當(dāng)廣泛。然而，為了使BESⅢ的TOF探測(cè)器的性能達(dá)到或超過(guò)國(guó)際先進(jìn)水平，必須對(duì)該探測(cè)器進(jìn)行詳細(xì)的研究和測(cè)試。作為T(mén)OF計(jì)數(shù)器的兩個(gè)重要組成部分—閃爍體和倍增管，它們的性能是相當(dāng)關(guān)鍵的。經(jīng)過(guò)仔細(xì)調(diào)研并參

4、考其他探測(cè)器，挑出了三種快閃爍體：BC-408，BC-404和EJ-200。實(shí)驗(yàn)研究顯示它們發(fā)射譜的峰位分別是425nm，407nm和426nm，且發(fā)射譜的形狀和峰位在閃爍體被輻射源大劑量輻照后依然不變；它們的相對(duì)光產(chǎn)額會(huì)隨輻照劑量的增加而減小；在弱輻照后，100小時(shí)內(nèi)沒(méi)有觀察到明顯的光產(chǎn)額恢復(fù)效應(yīng)；BC-408和EJ-200在發(fā)射峰處的透過(guò)率為70％左右，BC-404的略低。因而對(duì)于估計(jì)的在BEPCⅡ上每年將受到的10Gy劑量來(lái)說(shuō)，這

5、些閃爍體都沒(méi)有問(wèn)題，但優(yōu)先考慮閃爍體BC-408和EJ-200。考慮到閃爍體的尺寸和發(fā)射譜，譜儀的有限內(nèi)部空間以及倍增管的性能參數(shù)，選擇了Hamamatsu公司生產(chǎn)的較短倍增管R5924，測(cè)試表明其抗磁性和時(shí)間性能滿足要求。 我們對(duì)由塑料閃爍體和倍增管組成的單根TOF計(jì)數(shù)器進(jìn)行了束流試驗(yàn)和模擬，束流試驗(yàn)的讀出電子學(xué)是由NIM(NuclearInstrumentModule)/CAMAC插件和機(jī)箱組成的。長(zhǎng)條形閃爍體的測(cè)試實(shí)驗(yàn)是利

6、用了高能所提供的干凈次級(jí)粒子束流，然而為了獲得其準(zhǔn)確的時(shí)間分辨率，參考時(shí)間起點(diǎn)的時(shí)間晃動(dòng)必須盡可能地小。為此，設(shè)計(jì)了幾種薄快閃爍體+快倍增管的組合方案，其中最小的時(shí)間晃動(dòng)可達(dá)44±2ps。鋁膜包裝的，長(zhǎng)2.3m寬6em而不同厚度的塑料閃爍體BC-408的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明5cm厚的閃爍體搭配倍增管R5924表現(xiàn)出最佳性能，而不是6cm厚的閃爍體，模擬結(jié)果顯示其主要原因是倍增管的有效接受面積限制了收集到的光電子數(shù)目。而由不同的反射材料包裝的EJ

7、-200的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示反射材料的反射率增大其時(shí)間性能不會(huì)一直變好，模擬顯示被反射回來(lái)的大量光子會(huì)破壞脈沖前沿，從而抑制了時(shí)間性能的提高。 最后，由閃爍體、倍增管、快前放、18m差分電纜，以及由VME機(jī)箱和9U模塊板構(gòu)成的讀出電子學(xué)組成了完整的TOF系統(tǒng)，并進(jìn)行了束流試驗(yàn)，結(jié)果表明在閃爍體中間位置的包括電子學(xué)晃動(dòng)在內(nèi)的時(shí)間分辨率為：70±2ps(質(zhì)子)，104±11ps(π+)，94±3ps(電子)。而電子隨機(jī)入射TOF整體的模擬