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BES-III TOF (Endcap) 研制. 科大近代物理系高能物理实验室 高能物理物理所及 TOF 研制组 合作单位:夏威夷大学 东京大学. Time resolution for BESIII/TOF. Non TOF ~60ps. 方案和计划. 探测器:采用有机闪烁体+ PMT 模式 预期 2003 - 2006 年 1 )关键技术的预研 2 )探测器模块制作 3 )工程安装. Configuration. 800. 966. 1676.

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BES-III TOF (Endcap) 研制

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Presentation Transcript


Bes iii tof endcap

BES-III TOF (Endcap) 研制

科大近代物理系高能物理实验室

高能物理物理所及TOF研制组

合作单位:夏威夷大学

东京大学


Bes iii tof endcap

Time resolution for BESIII/TOF.

Non TOF ~60ps

LI Cheng / USTC 2008.4


Bes iii tof endcap

方案和计划

探测器:采用有机闪烁体+PMT模式

预期2003-2006年

1)关键技术的预研

2)探测器模块制作

3)工程安装

LI Cheng / USTC 2008.4


Configuration

Configuration

800

966

1676

The Endcap TOF (ETOF)of Beijing Spectrometer(BESIII) is consisted of 2*48 pieces of trapezoidal scintillator . Its main physics goal is to realize the separation at momentum up to 1Gev/c, and the intrinsic time resolution reach to 80ps.

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第一阶段 :预研制

1.R5924 PMT-base的预研。包括:Base电路设计及制作;端盖PMT管套设计,与材料的选择;解决在有限的空间下,分压电路的稳定性,电屏蔽及信号引出方式等问题;

2.PMT性能测量和测量装置。针对Fine Mesh PMT 的性能特点,有必要研究的相关测量方法及建立相关的测试装置。主要有:PMT增益(无磁场)的相对测量;(相对误差~3%) ;PMT本征时间分辨的研究。

3.探测器模块性能的测量。建立一套宇宙线望远镜及时间触发系统,其时间分辨达到50ps。用于测量扇形晶体不同位置的时间分辨,进行有关的时间分辨修正方法研究,并对PMT光阴极与闪烁晶体的耦合方法及闪烁体包裹的方式加以研究。完成对2-4块扇形塑料闪烁体的测试工作。

4.束流测试。确定探测器模块参数,设计方案。

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PMT 设计

Base电路设计及制作:

端盖PMT管套设计,与材料的选择,

解决在有限的空间下,分压电路的稳定性,电屏蔽及信号引出方式等问题。

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PMT时间特性

脉冲上升时间 <1.5ns, 宽度小于4.0ns

.采用CHERENKOV单光子方法,测定R5924渡越时间涨落。 扣除电子学系统涨落后 FWHM=460ps.

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Pmt gain measurement

PMT Gain Measurement

相对误差~3%

The gain measuredof R5924 PMT with three methods

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The gain in magnetic field

The gain in magnetic field

The spectrum of pulse magnitude measured with the LSO crystal in magnetic field at IHEP

The gain decrease in 48 times at 1T and the angle of zero degree

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PMT measured for 1T at KEK by Tokyo Univ.

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Cosmic test

Cosmic test

The energy deposit in ETOF for MIP

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探测器模块性能的模拟

闪烁体光传输特性模拟研究。包括:发光特性;光传输的特性,不同包装材料的影响,几何形状的影响,等

闪烁体荧光传输效率随电子击中位置变化的模拟结果,模拟条件为:BC404闪烁体,厚度50mm,表面不加任何光反射层. 由上角图表示:1.5GeV的电子在闪烁体中的能量沉积。

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Test results 1

Test Results(1)

The primary results show that the time resolution of ETOF(BC408) with Tyvek paper wrapped is between 75-90ps.

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Test results 2

Test Results (2)

The beam tested results show that the time resolution of ETOF(BC404) with ESR film wrapped is between <80ps.

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第二阶段 :探测器模块制作

1.全部端盖探测器制作。包括:确定闪烁体几何尺寸,闪烁体包装方案,与PMT固定方案的设计和加工等;

2)端盖光电倍增管安装测试。包括PMT性能批量测量装置,PMT外壳设计和加工,及高压和信号电缆安装测试;

3)端盖前端电子学系统测试;

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The layout of etof scintillator bar

The Layout of ETOF scintillator bar

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设计与改进

闪烁体尺寸由原来480mm 减小到431mm,模拟显示可进一步提高ETOF本征时间分辨。

粒子击中不同各个位置的时间分辨

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闪烁体模块检测

  • BC404,98块

    • 外形尺寸,包装层检测和公差检测

    • 相对光输出性能测试

    • 编号,建立原始数据文档

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Pmt5924

PMT5924的检测

  • R5924,113只

    • 外形尺寸检测

    • 光电倍增管增益检测(无磁场下),给出增益5*105和5*106的工作电压。

    • 给出每个PMT的增益曲线

    • 分压电路和信号线测试

    • 编号,建立文档

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Batch test of the pmt gain

Batch Test of the PMT Gain

The gain curve of R5924/PMT under different high voltages.

The voltages at which the gain reaches 5×105 and 5×106

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PMT光屏蔽外筒加工和检测

120只PMT外壳的外形尺寸和公差检测

  • 表面清洗

  • 预装配

  • 确定光纤与PMT

    连接方案,加工光

    纤定位接头

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96路前端电子学检测

  • 低压电源安装检测

  • 地线连接和噪声测量

  • 每一路的放大倍数,输出信号上升时间,增益线形范围

  • 与探测器模块连接,观测输出信号变化,及稳定性

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第三阶段 :工程安装

  • 1)探测器模块安装。包括:PMT,光耦合硅胶片与闪烁体装配,光密封检测,光纤接头安装;

  • 2)电缆接头安装测试。18米信号电缆检测,电缆编号,安装高压接头和18米高压电缆漏电流检测;

  • 3)与高能所合作完成端盖

  • TOF的工程总装设计和探测器模

  • 块安装。包括:机械支撑定位

  • 和工装,模块定位方案,现场

  • 测试,等;

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    ETOF 总体结构

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    转接头

    ETOF结构和电缆布局

    放大器

    信号电缆

    高压电缆

    光纤

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    Cabling grounding

    Cabling & Grounding

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    机械结构设计与改进

    • 为便于安装和检测,从新设计支撑结构

    (感谢EMC组和马晓妍的设计)

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    Fiber connecting c ooperated with hawaii university

    Fiber ConnectingCooperated withHawaii University

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    ETOF安装完成

    • 07.12-08.2月先后完成东端和西端探测器模块

    • 现场测试,其噪声水平小于10mV

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    End cap single

    End cap single

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    Q measurement

    Q measurement

    Total 4 dead

    Channels!

    Pre-amp?

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    Q mean

    Q mean

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    Time measurement

    Time measurement

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    T sigma after q t

    T sigma after Q-T

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    总结

    • ETOF 模块的性能达到设计要求

    • ETOF 按计划安装在BESIII谱仪

    • ETOF 刻度和数据分析正在进行,系统性能有待进一步检验…

    • 双方进行了著有成效合作,并获得了大量的第一手数据和研究成果,合作发表了十多篇有关论文,培养了粒子物理实验人才!

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    感谢

    在该项目进行过程中,

    高能物理所及BESIII 合作组多方面的支持!

    许多研究生作出的重要贡献!

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