摘要对撞机物理在粒子物理领域几十年来的进展中已 成为一种占主导地位的高 能加速器， 其未来的发展方向;一是将能量提高;二是增加加速器亮度， 提高探 测器精度按照第二种思路来设计的新北京正负电 子对撞机 ( B E P C I I ) 是一个 高亮度、多束团的对撞机与B E P C I I 相配合北京谱仪 ( B E S I I I ) 是采用现代探 测技术的高质量探测器 B E S I I I 的子探测器一飞行时间探测器 ( T O P 主要物理 目 标是粒子鉴别，其能力大小主要由相同动量粒子的飞行时间差和 T O F的时间 分辨率所决定实验中对于B E S I I I - T O F设计方案所采用的塑料闪烁体、光电倍增管和包装 材料的性能进行了研究和测试， 并通过1 : 1 模型的束流实验得到飞行时间探测器 的本征时间分辨率 实验测量了辐照前后塑料闪烁体的发射光谱、 透射光谱和光 产额，同时根据实验束测量的结果 ( 衰减长度、 本征时间分辨率等)以及性价比 因素，选择T O F的塑料闪烁体为E J 2 0 0 ，尺寸为5 c m x 6 c m x 2 4 0 c m研究了利用 L E D测量光电 倍增 管 单光电 子峰; 利用 级联 Y 放 射 源6 0 C 。
在光 阴 极窗 产生 C h e r e n k o v 光，获得光电倍增管渡越时间涨落;测量了在强磁场下光电倍增管的 增益 通过束流试验研究了塑料闪烁体的材料、 塑料闪烁体的厚度以及包装材料 与本征时间分辨率的关系 束流实验的结果显示: 镀铝薄膜包装的E J 2 0 0 两端通 过精细网型光电倍增管 R 5 9 2 4读出，实现了对于 8 0 0 Me V的电子本征时间分辨 率好于9 0 p s 3 .3 8 a- , , , ，正 确率 > 9 5 .4 % ， 即 满足2 6鉴别 能力; O T > 5 .6 0 c r ,, , ， 正 确 率 > 9 9 .7 % ， 即 满 足3 v鉴 别能 力厚士龙丈 B E S I I I飞行时间次决 / 器时研别由于随粒子击中闪烁体的位置距光电倍增管距离的不同而得到的时间分辨 率不同， 在靠近光电倍增管一端时间分辨好， 在中间时间分辨差 根据实验经验， 初步确定时间分辨随粒子方向的极角的变化关系为:a ( x ) = a ( 0 ) - ( 1 一 0 .3 x ' ) 其中x = C O O) , 0 是极角，a ( 0 ) 是打中闪烁体中 心位置时T O F 的时间分辨率。
对于塑料闪烁体探测器，测量相同动量 K / n 粒子的飞行时间差 △ T是指它们 在主漂移室内的飞行时间差， 双层塑料闪烁体探测器分辨率中的本征时间分辨减 小 为 单 层T O F 的1 l 万双层塑料闪 烁体探测器:A T = T ,K ,,一 T “ a，a ( 0 ) 二 9 0 p s ;根据飞行时间差△ T和按照设计的T O F与C C T的时间分辨率，图2 .2 - 1 1 给 出了双层塑料闪烁体探测器的 K / n 分辨能力在 2 a 鉴别能力的要求下，可以分 别达到0 . 9 5 G e V / c ;在 3 鉴别能力的要求下，可以达到 . 7 G e V / c oR = 吕 10 Doubl e TOF: -90p，88o ︵﹂丫\试︸0︸︸一任阵书 丁 二 OR ‘ 二 二 叫代笼c.，移图2 . 2 - 1 1双层塑料闪烁体探测器的K / 7rt 分辨能力关于端盖T O F ， 计划使用扇型的塑料闪烁体加光电倍增管测量 端盖闪烁体 的宽度增加， 但长度减为约4 0 0 m m ， 预计其本征时间分辨仍然可以 达到8 0 p s e 考虑达到端盖附近的粒子穿越主漂移室的层数较少， 所以由主漂移室径迹重建的 外推定位不如桶部准确， 其误差估计为l O m m ， 导 致时间不确定性为5 0 p s 。
再把 束团长度、多束团间隔、电子学测量精度等影响都考虑后， 端盖飞行时间计数器的总时间分辨率为1 1 0 p s o康牡二 重君京者戊飞行时海拥瀚器蔽夕 卜2 . 4 . B E S I I 的经验B E S I I 1 1 2 1 的飞行时间计数器始建于1 9 9 4 年， 于1 9 %年底建成 其桶部由4 8 个闪烁计数器组成，每个闪烁计数器的塑料闪烁体长2 8 4 0 m m，宽1 5 6 0 m m，厚 S O m m， 其材料为B i c r o n公司生产的B C 4 0 8 每个闪烁体的两端经鱼尾形光导与 光电倍增管相连，其有效收光面积仅为 1 6 % ( 见图2 . 2 - 1 2 ) 光电倍增管采用的 是H A MA M A S T L公司生产的8 2 4 9 0 - 5 ，它是F i n e M e s h 结构的抗磁场光电 倍增 管 ， 其 增 益 为3 x 1 0 6 (O T ) , 1 x 1 0 6 ( 0 .5 T ) .B E S I I 的飞行时间计数器总时间分辨率为1 8 0 p s ， 其中本征时间分辨为1 3 5 p s , 其它由束团长度等引起的时间不确定性为1 2 5 p s 。
由于B E S 1 1 的飞行时间计数器 的内半径较大，达1 1 5 0 m m， 所以 在总时间分辨率为1 8 0 p s 情况下，对于K / 二 的 分辨 ( 2 a )的动量上限为0 .8 G e V / c ，图2 .2 - 1 3 是B E S I I 上测得的各粒子速率与动量的关系图2 .2 - 1 2 B E S I I 的T O F 探测器的结构示意图Ma }} } , u m 吸 C. V陌)图2 .2 - 1 3粒子动量与由T O F I I 测量的速度的关系浮士论‘ 之B E S I I I飞行时/探z} ^J a } 时}蒯总体来说，T O F 要达到高的时间分辨率，主要由闪烁体光产额、上升时间、 厚度、 衰减长度， 光电倍增管的有效收光面积、 量子效率、 频谱响应、 时间响应、 增益大小、抗磁性能等决定第四章 塑料闪烁体和光电倍增管的研究互 1 . 塑料闪烁体B E S I I 上的T O F所用的塑料闪烁体是由美国B i c r o n公司生产的B C 4 0 8 对 于B E S I I I 的T O F ， 计划备选的闪烁体有B C 4 0 4 , B C 4 0 8 和E J 2 0 0 。
表4 . 1 - 1 是三 种闪烁体相关的技术参数的比较可以看出:B C 4 0 8 和E J 2 0 0 的参数是相同的， 而B C 4 0 4 的唯一缺点是衰减长度比B C 4 0 8 短，但是它有更大的光产额 (( 6 8 %) , 更快的上升时间 ( 0 . 7 n s ) 、更短的脉冲宽度 〔 2 .2 n s ) ，因此在闪烁体长度短的清 况下， B C 4 0 4 有更好的时间分辨率 塑料闪烁体要通过比较测量 1 : 1 模型的本征 时间分辨率来做选择，这将在第五章做详细研究表 4 . 1 一 1 B C 4 0 4 . B C 4 0 8 和 E J 2 0 0的性能 {- - - - --一 一BC4 0 4BC4 0 8E J 2 0 0 { 一 光 输 出 ， % A n th ra c e n e6 86 46 4 }上 升 时 间 ，070 . 90 .9{ }下 降 时RI1 . 82 . 12 . 1 { 脉 冲 宽 度 ，F W H M ,2 . 2一 2 . 5- 2 .5 } 一体 衰 减 长 度 ， c m1 6 03 8 03 8 0 } 最 大 输 出 光 的 波 长 ，rim4 0 84 2 5一 I C 原 子 个 数/c m 3 , (x 1 0 2 2 )4 . 7 44 . 7 44 . 6 9 一H 原 子 个 数 /c m 3 ， ( x l O Z Z)5 . 2 15 . 2 35 . 1 7 {H 和 C 原 子 个 数 卜 匕1 . 1 0 01 . 1 0 41 . 1 0 4 { _ 鱼子 惮 /c m 3 ， 一 !丝 竺 兰 一3 . 3 73 . 3 73 3 3 _引在飞行时间探测器的建造过程中， 需要在短时间内对近两百根塑料闪烁体的 有效衰减长度进行测量， 抽测部分塑料闪 烁体的光产额。
光产额的测量方法将在 测量塑料闪烁体的抗辐照能力实验中介绍 的下面通过研究宇宙线测量实验， 寻 找快速、方便和准确获得有效衰减长度的方法浮士论丈 B E S I I I飞 行时间探刻器时抑喇1 . 1 .宇宙线方法测量塑料闪烁体的有效衰减长度在塑料闪烁体的各项指标中衰减长度最便于实验室条件下测量， 按照图4 . 1 - 1 所示的装置图宇宙线在塑料闪烁体中沉积的能量而产生光传播到光电倍增管 上， 经过光电效应和倍增形成电流脉冲信号 通过触发探测器选择宇宙线具有确 定入射位置的电流脉冲信号进行幅度测量， 这样得到的幅度谱的峰值就对应于光 电 倍增管光阴极上产生的光电子数 由于宇宙线在闪烁体中的沉积能量符合朗道 分布， 其最可几值只与闪烁体的厚度有关， 保持宇宙线穿过塑料闪烁体的厚度不 变 ( 垂直入射) 而改变入射位置， 则可以得到不同入射位置下光电倍增管上收集 到光电子数的最可几值 ( 如图4 . 1 - 2 ) ， 采用指数拟合实验数据就可以得到有效衰 减长度，3 1 6 . 5 士 5 . 2 c m oH V: 1 7 s o vS i g n a l AP M T : X P 2 0 2 0闪 烁 体甲P M TAP 2 0 2 0 匕 一 - 一 一一牛一一 一一一月口 {{H V : 1 9 0 0 VS i g n a l C B C 4 0 4 * 5区二闪烁休闪烁体 d。
二 HV:2000v甲L _~ 一 一 一 一 一 )S i g n a l B宇宙fty图4 . 1 - 1利用宇宙线测量塑料闪烁体的有效衰减长度装置图塑群闪浮洋和法宕浴曹爹肘班穷畜 度谱峰位一 . - --. - ‘· 一 二燃少 比 自 ， 观fj 乞 f s )i $ i i ' i “ 3 e i Y S阴闪一件又1一:卜 、、 _刘细刘均叨393享 .............._..,_.......... _事羔蔫 ..,M 310 220 23w 31 aD 60 Bo ,W -it iaa i60图4 . 1 - 2塑料闪烁体的有效衰减长度考虑到做塑料闪烁体性能快速检验无法测量太多的点， 抽取三个实验的入射 点分析得到有效衰减长度，如图 4 . 1 - 3 ，不同点组合得到的有效衰减长度见表4 . 1 - 2 .7 门 ， 1 卑一 _ 一 ‘ - - -一咔竺 卜 盯一 ’“ 一 I A=323.3”厂 一 ’ 州 气 之 女一 - - 一 于; 。
卜司- - 一介 \一 朴 -- - ADDt300朗叨佃i s a 2 0 01 0 0 1 5 0， 田I 5 0 2 田阴朗细佃期图4 . 1 - 3不同入射位置得到的有效衰减长度球士i E `} t B E S I I I 飞 存时h 7 探>R Y 器时研剧表 4( 4 0 , 1 2 4 , 2 0 0 )1 - 2不同入射点得到的有效衰减长度比较( 6 0 , 1 2 4 , 1 8 0 ) } ( 8 0 , 1 2 4 , 1 6 0)全部点I}3 2 3 . 3 士1 0 石3 1 6 3士 8 . 73 1 1 2-1 2 . 73 1 6 . 5 1 5 . 2不同入射位置点的组合所给出的有效衰减长度在误差范围内一致， 小于表中 所给出的体衰减长度 这是由于测量有效衰减长度时， 光除了在闪烁体内 部被吸 收损失外， 还。