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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/ygpp，J/ygkk，J/yghh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。由于量能器的能量
2、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4.7-1 J/y衰变末态中性粒子(g为主)的能量分布(BESII数据)图4.7-2 D衰变末态g的能量分布(BESII数据)利用Jetset7.4.1产生e+e-np0+X，在质心能量为4.03 GeV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4.7-4)。1.5 GeVp0衰变产生的两的最小夹角大于10。图4
3、.7-3 e+e-np0+X，在质心能量为4.03 GeV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) 测量电子和光子的能量，能量覆盖范围为：20 MeV2 GeV。并且要求在能量低于500 MeV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：x，y 6 mm/。(3) 提供中性（）能量触发。(4) 在能量大于200 MeV的区域具有良好的e/分辨。(5) 足够小的探测单元粒度和精细的信号读出，因而具有良好的双角分辩能力，并具
4、有较强的探测高能0的能力和区分来自强子衰变产生的假的能力。(6) 每块晶体读出电子学的等效噪声能量小于220KeV。4.7.2 CsI(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；sl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
5、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
6、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Molire 半径，对双的分辨有利；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
7、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。表4.7-1 无机闪烁晶体的性能晶体NaI(Tl)CsI(Tl)BGO比重(g/3)3.674.517.13辐射长度()2.591.861.12Molire 半径(cm)4.83.82.3能量损失(Mev/cm)4.85.69.2核作用长度()41.43721.8折射系数(480nm)1.851.792.15发射峰波长(nm)410560480光输出10045(PMT)140(PD)15温度系数(%/0C)00.3-1.
8、6发光衰减时间(ns)2301000300潮解性强微不参考价格($/3)2274.7.2.2 晶体径向尺寸和横向截面尺寸的选择簇射能量的泄漏主要与晶体的长度选择有关，晶体之间的能量损失由封装晶体的反射材料的选材控制，影响稍小。图4.7-5显示了CsI(Tl)晶体的长度对能量分辨的影响，对于24cm和28cm的晶体长度，能量分辨分别为3.2% 和2.3%，接近增加2cm改善能量分辨0.5%。BESIII设计中选用28 cm（15Xo）长的CsI(Tl)晶体。图4.7-5 GEANT模拟CsI(Tl)晶体长度与能量分辨的关系，三条曲线分别为积分单元，单元和全部有能量沉积的单元。电磁簇射量能器的位置
9、分辨主要由晶体的横截面大小和量能器设计的积分晶体数目决定。电磁簇射横截面的轮廓尺寸用Molire半径RM表示，对于CsI(Tl)晶体，其Molire半径RM3.8cm。合适的积分晶体数目和小截面尺寸的CsI(Tl)晶体对位置分辨有好处，但是若远小于电磁簇射的RM，一个电磁簇射将分配到太多的晶体上，由于能量泄漏于晶体之间的包装材料，和太多电子学通道数导致电子学噪声增加，能量分辨率会变差。比较晶体前端横截面尺寸分别为44 cm2、4.54.5 cm2、55 cm2的能量分辨(图4.7-6)和位置分辨(图4.7-7)，晶体横截面尺寸较大的能量分辨好，对于1GeV的光子，能量分辨分别为2.29%、2.
10、23% 和2.07%。但晶体横截面尺寸越大，量能器的位置分辨变差， 对于1GeV的光子分别为4.8mm、5.5mm和6mm。图4.7-7的模拟基于77的晶体阵列，采用找重心的方法测量入射光子的方向。比较晶体前端横截面尺寸分别为44 cm2、4.54.5 cm2、55 cm2的探测效率(图4.7-8)没有明显的差别。图4.7-8中n0和n1，表示判定若累加晶体的沉积能量时，分别为至少有1块晶体和至少有2块晶体超过1MeV。比较晶体前端横截面尺寸分别为44 cm2、4.54.5 cm2、55 cm2的电子学通道数，当采用前端横截面尺寸为55 cm2的晶体时，桶部量能器的电子学通道数(晶体数)为53
11、80路，采用前端横截面尺分别为44 cm2、4.54.5 cm2的晶体时，电子学通道数分别增加约22%和45%。 通过优化，比较模拟的结果，BESIII电磁量能器的CsI(Tl)晶体典型尺寸采用：55 cm2(前端)6.56.5 cm2(后端)，长为28 cm。采用前端截面55 cm2的CsI(Tl)时，量能器天顶处单块晶体覆盖张角最大，3.04。对于接近BESIII能区最大能量1.5GeVp0衰变的两g的最小夹角(10)，至少跨过3.3块晶体，即使加上光子位置分辨的模糊，量能器也能分辨BESIII能区内的p0产生的双光子。图4.7-6 图4.7-7图4.7-6和图4.7-7分别为 GEANT
12、模拟CsI(Tl)晶体前端横向截面尺寸为44cm2，4.54.5cm2，55cm2的能量分辨和角分辨随入射能量的分布。模拟考虑了射线穿过量能器前端的漂移室、飞行时间探测器和量能器电子学的等效噪声能量为0.5MeV。图4.7-8为 GEANT模拟CsI(Tl)晶体前端横向截面尺44cm2，4.54.5cm2，55cm2的探测效率随入射能量的分布。4.7.2.3 晶体的排列方向和晶体之间的间隙(物质间隙)由于e+ e_ 的对撞点在向分布为1.5cm(标准偏差)，为避免光子直接穿过晶体之间的间隙，量能器的晶体排列对应对撞点在q方向和f方向有适当的偏角，同时晶体之间的间隙尽量小。图4.7-9显示了晶体
13、径向与入射光子的方向有不同夹角的模拟扫描晶体阵列的实验，不同角度入射的光子扫描在中心晶体的正中位置时，总沉积能量和能量分辨相近，但光子扫描到中心晶体的边沿位置时，总沉积能量和能量分辨相差较大，晶体径向与入射光子的方向为零度时能量分辨最差。考虑到机械的设计和安排，晶体的排列在f方向指向中心线有1.5的偏移；在向指向对撞中心有13的偏移。图4.7-9图4.7-9 为800 MeV的光子以不同角度扫描在中心晶体，在55晶体阵列上的相对总能量沉积和能量分辨的分布。晶体之间的复合物质层为0.4mm Teflon + 0.05mm Al + 0.4 mm的碳纤维(CFC)。晶体之间的间隙大小由晶体外面的反
14、射封装层和晶体的机械支撑墙的厚度决定，对量能器而言是非灵敏材料，当光子作用于晶体边沿区时，相当于晶体的辐射长度减少，总沉积能量降低和能量分辨相对变差。图4.7-10和图4.7-11分别显示了不同厚度的空气层和不同的复合物质对能量分辨的影响，空气层的影响稍小，复合物质层的影响稍大，除了必需的反射层0.4mm Teflon + 0.05mm Al 之外，分别增加0.4 mm的碳纤维(CFC)和0.5 mm的铝(Al)，能量分辨将分别变差约0.2% 和0.4%。较理想的设计是晶体之间除了必需的反射层外不用额外的材料和额外的空间。 图4.7-10 800 MeV的光子以1.5扫描中心晶体，不同厚度的空
15、气层对应相对总能量沉积和能量分辨的分布。图4.7-11 不同的复合物质对应相对总能量沉积和能量分辨的分布4.7.2.4 CsI(Tl)晶体的反射材料光收集效率是晶体量能器实现能量高分辨的重要一环。由于CsI(Tl)晶体拥有较高的折射率(1.8)，满足于物理和机械要求的反射材料局限于轻和薄的满反射膜材料。光收集效率与反射膜的厚度有一定的关系(图4.7-12)，厚膜有高的光收集效率，与物理的尽量薄的要求相抵。选取聚四氟乙烯(Teflon)膜、Tyvek纤维纸、和Milliper微孔膜进行对比实验， 图4.7-13显示Milliper微孔膜和Tyvek纤维纸具有高的反射性能(图中实验点10，5，7，和8)，Teflon微孔膜(KEK)有较低的效果(图中实验点4)，并且Tyevk纤维纸有较小的Z值和十分便宜的价格。所以，选定双层的Tyvek纤
