塑料閃爍體型飛行時間計數(shù)器的研究.pdf

1、本論文首先簡要地介紹了粒子物理和粒子探測器的歷史和現(xiàn)狀。隨著現(xiàn)代計算機技術和電子學的發(fā)展，高能物理對粒子探測器的性能要求越來越高，能否發(fā)現(xiàn)新的粒子和物理現(xiàn)象取決于大型探測器的整體性能。北京正負電子對撞機(BeijingElectronPositronCollider，BEPC)由直線加速器、束流運輸線、儲存環(huán)和北京譜儀(BeijingSpectrometer，簡稱BES)組成，是我國進行高能物理實驗的一個很重要的大型儀器，憑借它使我國在

2、國際高能物理研究中占有一席之地。雖然過去曾取得一些重大成果，但現(xiàn)在該探測器已經(jīng)老化了，并且隨著國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)物理研究的領先地位。因而，現(xiàn)在正需要在過去成功運行的基礎上對BEPC/BESⅡ進行升級改造，大幅度提高其性能，從而繼續(xù)取得國際高水平的物理成果。然而，大型探測器整體性能的好壞取決于每個子探測器的好壞，只有將每個子探測器設計好并精確地安裝，升級改造工程才可能圓滿完成。 本論文的核心主要是

3、對塑料閃爍體型飛行時間計數(shù)器(TimeofFlight，TOF)的研究。該探測器是正在建造中的BESⅢ一子探測器，它鑒別動量小于1GeV/c的帶電粒子K/π的能力是很強的，同時它也提供快觸發(fā)和事例定時信息。由于其技術較成熟，這種探測器應用相當廣泛。然而，為了使BESⅢ的TOF探測器的性能達到或超過國際先進水平，必須對該探測器進行詳細的研究和測試。作為TOF計數(shù)器的兩個重要組成部分—閃爍體和倍增管，它們的性能是相當關鍵的。經(jīng)過仔細調(diào)研并參

4、考其他探測器，挑出了三種快閃爍體：BC-408，BC-404和EJ-200。實驗研究顯示它們發(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；它們的相對光產(chǎn)額會隨輻照劑量的增加而減??；在弱輻照后，100小時內(nèi)沒有觀察到明顯的光產(chǎn)額恢復效應；BC-408和EJ-200在發(fā)射峰處的透過率為70％左右，BC-404的略低。因而對于估計的在BEPCⅡ上每年將受到的10Gy劑量來說，這

5、些閃爍體都沒有問題，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，測試表明其抗磁性和時間性能滿足要求。 我們對由塑料閃爍體和倍增管組成的單根TOF計數(shù)器進行了束流試驗和模擬，束流試驗的讀出電子學是由NIM(NuclearInstrumentModule)/CAMAC插件和機箱組成的。長條形閃爍體的測試實驗是利

6、用了高能所提供的干凈次級粒子束流，然而為了獲得其準確的時間分辨率，參考時間起點的時間晃動必須盡可能地小。為此，設計了幾種薄快閃爍體+快倍增管的組合方案，其中最小的時間晃動可達44±2ps。鋁膜包裝的，長2.3m寬6em而不同厚度的塑料閃爍體BC-408的實驗結果表明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的實驗結果顯示反射材料的反射率增大其時間性能不會一直變好，模擬顯示被反射回來的大量光子會破壞脈沖前沿，從而抑制了時間性能的提高。 最后，由閃爍體、倍增管、快前放、18m差分電纜，以及由VME機箱和9U模塊板構成的讀出電子學組成了完整的TOF系統(tǒng)，并進行了束流試驗，結果表明在閃爍體中間位置的包括電子學晃動在內(nèi)的時間分辨率為：70±2ps(質(zhì)子)，104±11ps(π+)，94±3ps(電子)。而電子隨機入射TOF整體的模擬