论文部分内容阅读
北京谱仪(BESIII)是基于τ-charm能区的大型科学实验装置,其研究的对象是τ-charm能区的相关物理(如轻强子,charm物理,轻子物理,c介子等),这些对完善标准模型(Standard Model)理论,寻找新物理有着十分重要的意义。在北京谱仪实验中飞行时间探测器(TOF)对于带电强子(如π介子,K介子和质子等)的鉴别具有重要的作用。北京谱仪的飞行时间探测器是基于塑料闪烁体(BC404)和光电倍增管(R5924),桶部BTOF能达到90ps,端盖ETOF能达到138 ps,对于π/K粒子鉴别能到1.1 GeV的动量。端盖ETOF设计是单层闪烁体,单端读出,其中电子击中主漂移室电缆等引起的多次散射(multihits)是影响ETOF时间分辨的主要因素。为了提高谱仪整体的粒子鉴别能力,因此对ETOF进行升级以提高其时间分辨能力。MRPC作为新型气体探测器具有以下优点：探测效率高,时间分辨好,制作成本价格较低,并且对光子不灵敏。这些优点使得它作为新一代的飞行时间探测器被应用于高能物理实验。自2012起BESIII ETOF合作组开始了MRPC ETOF升级改造项目。该项目要求MRPC探测器对于最小电离粒子本征时间分辨小于60 ps,探测效率大于96%,电子学系统的时间晃动要求小于25 ps。整个ETOF系统时间分辨小于100ps,满足在2σ准确率下π/K的鉴别能力提升到1.4 GeV。并保证其升级之后的ETOF系统能够稳定工作。本人有幸在博士研究生期间作为联合培养学生,赴中国科学院高能物理研究所北京正负电子对撞机国家实验室参与了BESIII ETOF升级项目。论文研究期间参与了ETOF系统束流实验,ETOF系统宇宙线测试实验,ETOF升级工程安装以及BESIII ETOF性能分析。MRPC探测器在北京正负电子对撞机E3线上进行多次束流测试性能实验。针对800 MeV下高统计量的质子进行高压扫描,阈值扫描,读出条扫描。其结果显示高压大于±7000 V之后,分辨和效率进入坪区,平均时间分辨～40 ps,探测效率>98%；读出条扫描实验显示读出条探测效率97%～98%,时间分辨34 ps～47 ps,各读出条性能均匀性较好；对于0.6G6V～1.2GeV动量范围内的质子和π介子的动量扫描实验,结果显示随着动量的增加,质子分辨略显变好趋势,π介子分辨几乎不变。这些研究对于ETOF MRPC探测器的设计和定型奠定了基础,为探测器的性能进行前沿性分析和研究。论文工作期间针对ETOF电子学进行了相关的性能测试和分析。包括电子学系统的时间分辨测试,抗辐射实验,前端电子学散热测试。研究结果显示：电子学系统的时间分辨结果大约25ps,强辐射剂量下性能稳定在30ps以内,其中前端电子学放大板性能随着随着外界温度缓慢变化。整个电子学系统工作稳定,性能良好,可承受超过43500 rad累积剂量的背景辐射满足升级的要求。ETOF系统各部分(包括MRPC探测器,前端电子学,后端电子学,气体系统等)批量生产完成之后,为了保证整个系统能够符合升级要求,搭建了系统测试平台进行了ETOF系统宇宙线测试,结果显示宇宙线环境下MRPC探测器的本征时间分辨小于60 ps,探测效率大于96%,ETOF整体系统(包含电子学和其他晃动)时间分辨小于80 ps,系统能够长期稳定工作。我们在北京谱仪现场做了谱仪环境噪声测试和MRPC样室性能实验。谱仪环境噪声测试实验结果显示,噪声对探测器影响可以忽略。针对MRPC样室的性能研究,结果显示在±7150 V和阈值110 mV条件下能能最优。沿着读出条不同位置分辨在50～55 ps,探测效率平均为97.5%。2015年9月份,ETOF升级工程全面完成,Bhabha事例结果显示,ETOF/MRPC单端读出时间分辨能～70 ps双端读出～60 ps,探测效率98%.在端盖平面上沿着φ方向,以及沿着R径向和读出条的方向其效率在和分辨均匀性和一致性很好。相比较Alice TOF时间分辨-90 ps,STAR TOF时间分辨～80ps,北京谱仪ETOF时间分辨有较大的提高。BESIII ETOF升级项目完满完成,ETOF的分辨能力从升级前的110ps提高到现在的60ps,相应的pi/K动量分辨范围从之前的1.1GeV达到1.4GeV。