电磁量能器设计

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1、北京正负电子对撞机重大改造工程初步设计4.7电磁量能器4.7.1概述高能物理实验中测量粒子总能量的探测器被称为量能器，电磁量能器在BES谱仪中占有十分重要的地位。它的基本功能是测量电子和γ光子的能量和位置信息。为寻找胶子球存在的证据，需要在探测J/y的辐射衰变的数据中重建诸如J/y®gpp，J/y®gkk，J/y®ghh等包含有直接衰变的g，p0或中间态衰变的p0的道，同样在y¢，y¢¢，t和D的衰变末态中含有p0的分支道占有相当大的比例。图4.7-1和图4.7-2分别显示J/y衰变末态中以中性粒子(g为主)的能量分布和D共振态衰变末态g的能量分布。能量低于500MeV的占有大的的比例

2、。由于量能器的能量分辨率和位置分辨率与能量的开平方成反比的关系，对低能的探测和可达到的分辨率，将是BESIII电磁量能器设计和制造的重点。图图4.7-1J/y衰变末态中性粒子(g为主)的能量分布(BESII数据)图4.7-2D衰变末态g的能量分布(BESII数据)北京正负电子对撞机重大改造工程初步设计利用Jetset7.4.1产生e+e-®np0+X，在质心能量为4.03GeV时的p0的能量分布(图4.7-3)。在BESIII物理能区，末态产生的p0以能量小于1.5GeV为主，大于1.5GeV的p0产生的几率非常小。在实验室系p0衰变产生的两的最小夹角随p0能量的增加而减小((图4.7

3、-4)。1.5GeVp0衰变产生的两的最小夹角大于10°。图4.7-3e+e-®np0+X，在质心能量为4.03GeV时的p0的能量分布图4.7-4在实验室系p0衰变的两的最小夹角随p0能量的分布根据BES总体的物理要求，BESIII采用CsI(Tl)晶体构造的电磁量能器，它应具有如下的功能和指标：(1)测量电子和γ光子的能量，能量覆盖范围为：20MeV－2GeV。并且要求在能量低于500MeV的重点区域，能量分辨率达到2.3%/1%。(2)电磁簇射的位置分辨：σx，y≤6mm/。(3)提供中性（γ）能量触发。(4)在能量大于200MeV的区域具有良好的e/π分辨。(5)足够小的探测单

4、元粒度和精细的信号读出，因而具有良好的双γ角分辩能力，并具有较强的探测高能π0的能力和区分来自强子衰变产生的假γ的能力。(6)每块晶体读出电子学的等效噪声能量小于220KeV。北京正负电子对撞机重大改造工程初步设计4.7.1CsI(Tl)晶体4.7.2.1晶体的选择能量分辨率是电磁量能器最重要的指标之一，影响能量分辨率的主要因素可以用公式表示。其中，为量能器本征的能量误差，主要依赖于入射粒子能量沉积的涨落，及信号产生或转换过程的涨落；sγl为簇射过程中的能量泄漏误差，包括能量在量能器之前的吸收和闪烁晶体之后的能量泄漏涨落；snoise为量能器读出电子学的等效能量噪声及高亮度下沉积能量堆

5、积的误差等；sPD为闪烁晶体之后的簇射泄漏粒子在光电读出器件上产生的等效能量信号的误差；sCal为各过程的非均匀性和刻度误差。闪烁体量能器可分为全吸收型和取样型两类。全吸收型的能量吸收体全部为探测灵敏材料，如闪烁晶体量能器[1，2，3，4]，一部分沉积能量转化为闪烁光，其光强正比于入射粒子的能量；取样型一般为多层重金属吸收体和灵敏材料的夹层结构，灵敏材料多为有机闪烁体，如闪烁塑料光纤-铅夹层量能器[5]，在簇射过程中，由于有机闪烁体密度很小，约有～10%的能量被闪烁体吸收，其中的小部分能转化为闪烁光而被探测。显然，全吸收型的输出信号与能量沉积有最直接，最逼真的对应关系。在高能区，全吸收

6、型量能器的能量分辨至少好于取样型量能器3倍，在低能量区，全吸收型量能器的能量分辨与能量近似有E-1/4的关系，而取样型则为E-1/2。在能量沉积—激发闪烁光—光电转换的探测过程中，发光效率高和光波长有光电转换效率高的闪烁晶体更真实反应能量沉积和有较小的能量沉积涨落，具有较好的能量分辨率。表4.7-1列出了几种闪烁晶体的性能特性。其中，NaI(Tl)晶体和CsI(Tl)晶体都具有发光效率高的特性，但CsI(Tl)晶体有更短的辐射长度，在要求15cm的辐射长度下，晶体的长度约短11cm；有更小的Molière半径，对双γ的分辨有利；晶体量能器处于1特斯拉的均匀磁场中，采用硅光二极管读出的费

7、用比采用高抗磁光电倍增管[7]读出的费用便宜约4倍，合适选择是采用硅光二极管读出。由于CsI(Tl)晶体有更适合匹配硅光二极管的发射光谱[6]，采用硅光二极管读出，CsI(Tl)晶体比NaI(Tl)晶体有高的信号脉冲输出(1.4倍)。另外，NaI(Tl)晶体的强潮解性，会使晶体的封装，结构和运行环境带来许多困难。北京正负电子对撞机重大改造工程初步设计表4.7-1无机闪烁晶体的性能晶体NaI(Tl)CsI(Tl)BGO比重(g/㎝3)3.674.