北京譜儀端蓋飛行時(shí)間探測(cè)器升級(jí)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(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，其研究的對(duì)象是(τ)-charm能區(qū)的相關(guān)物理（如輕強(qiáng)子，charm物理，輕子物理，c介子等），這些對(duì)完善標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)中飛行時(shí)間探測(cè)器(TOF)對(duì)于帶電強(qiáng)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(shí)間探測(cè)器是基于塑料閃爍體(BC404)和光電倍增管(R5924)，桶部BTO

2、F能達(dá)到90 ps，端蓋ETOF能達(dá)到138 ps，對(duì)于π/K粒子鑒別能到1.1 GeV的動(dòng)量。端蓋ETOF設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)ETOF進(jìn)行升級(jí)以提高其時(shí)間分辨能力。
　　MRPC作為新型氣體探測(cè)器具有以下優(yōu)點(diǎn):探測(cè)效率高，時(shí)間分辨好，制作成本價(jià)格較低，并且對(duì)光子不靈敏。這些優(yōu)點(diǎn)使得它作為新

3、一代的飛行時(shí)間探測(cè)器被應(yīng)用于高能物理實(shí)驗(yàn)。自2012起B(yǎng)ESⅢ ETOF合作組開(kāi)始了MRPCETOF升級(jí)改造項(xiàng)目。該項(xiàng)目要求MRPC探測(cè)器對(duì)于最小電離粒子本征時(shí)間分辨小于60 ps，探測(cè)效率大于96％，電子學(xué)系統(tǒng)的時(shí)間晃動(dòng)要求小于25 ps。整個(gè)ETOF系統(tǒng)時(shí)間分辨小于100ps，滿(mǎn)足在2σ準(zhǔn)確率下π/K的鑒別能力提升到1.4 GeV。并保證其升級(jí)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(xué)生，赴中

4、國(guó)科學(xué)院高能物理研究所北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室參與了BESⅢ ETOF升級(jí)項(xiàng)目。論文研究期間參與了ETOF系統(tǒng)束流實(shí)驗(yàn)，ETOF系統(tǒng)宇宙線(xiàn)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，ETOF升級(jí)工程安裝以及BESⅢ ETOF性能分析。
　　MRPC探測(cè)器在北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)E3線(xiàn)上進(jìn)行多次束流測(cè)試性能實(shí)驗(yàn)。針對(duì)800 MeV下高統(tǒng)計(jì)量的質(zhì)子進(jìn)行高壓掃描，閾值掃描，讀出條掃描。其結(jié)果顯示高壓大于±7000 V之后，分辨和效率進(jìn)入坪區(qū)，平均時(shí)間分辨～40 ps，探

5、測(cè)效率＞98％;讀出條掃描實(shí)驗(yàn)顯示讀出條探測(cè)效率97％～98％，時(shí)間分辨34 ps～47 ps，各讀出條性能均勻性較好;對(duì)于0.6GeV～1.2GeV動(dòng)量范圍內(nèi)的質(zhì)子和π介子的動(dòng)量掃描實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示隨著動(dòng)量的增加，質(zhì)子分辨略顯變好趨勢(shì)，π介子分辨幾乎不變。這些研究對(duì)于ETOFMRPC探測(cè)器的設(shè)計(jì)和定型奠定了基礎(chǔ)，為探測(cè)器的性能進(jìn)行前沿性分析和研究。
　　論文工作期間針對(duì)ETOF電子學(xué)進(jìn)行了相關(guān)的性能測(cè)試和分析。包括電子學(xué)系統(tǒng)的時(shí)間

6、分辨測(cè)試，抗輻射實(shí)驗(yàn)，前端電子學(xué)散熱測(cè)試。研究結(jié)果顯示:電子學(xué)系統(tǒng)的時(shí)間分辨結(jié)果大約25 ps，強(qiáng)輻射劑量下性能穩(wěn)定在30 ps以?xún)?nèi)，其中前端電子學(xué)放大板性能隨著隨著外界溫度緩慢變化。整個(gè)電子學(xué)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能良好，可承受超過(guò)43500 rad累積劑量的背景輻射滿(mǎn)足升級(jí)的要求。
　　ETOF系統(tǒng)各部分（包括MRPC探測(cè)器，前端電子學(xué)，后端電子學(xué)，氣體系統(tǒng)等）批量生產(chǎn)完成之后，為了保證整個(gè)系統(tǒng)能夠符合升級(jí)要求，搭建了系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)

7、行了ETOF系統(tǒng)宇宙線(xiàn)測(cè)試，結(jié)果顯示宇宙線(xiàn)環(huán)境下MRPC探測(cè)器的本征時(shí)間分辨小于60 ps，探測(cè)效率大于96％，ETOF整體系統(tǒng)（包含電子學(xué)和其他晃動(dòng)）時(shí)間分辨小于80 ps，系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。我們?cè)诒本┳V儀現(xiàn)場(chǎng)做了譜儀環(huán)境噪聲測(cè)試和MRPC樣室性能實(shí)驗(yàn)。譜儀環(huán)境噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，噪聲對(duì)探測(cè)器影響可以忽略。針對(duì)MRPC樣室的性能研究，結(jié)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(cè)效率平均為97.5％。
　　2015年9月份，ETOF升級(jí)工程全面完成，Bhabha事例結(jié)果顯示，ETOF/MRPC單端讀出時(shí)間分辨能～70 ps雙端讀出～60 ps，探測(cè)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(shí)間分辨～90 ps，STAR TOF時(shí)間分辨～80 ps，北京譜儀ETOF時(shí)間分辨有較大的提高。BESⅢ ETOF升級(jí)項(xiàng)目完滿(mǎn)完成