bes-iii tof (endcap) 研制

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

LI Cheng / USTC 2008.4

Item Barrel time reso.

Endcap time reso.

Intrinsic time reso. of one TOF layer for 1 GeV muon

80~90 ps 80 ps

Uncertainty from electronics 25 ps 25 ps

Uncertainty from bunch length 15 mm ， 35 ps

15 mm ， 35 ps

Uncertainty from bunch time ~20 ps ~20 ps

Uncertainty from Z position 5 mm,25 ps 10 mm,50 ps

Resolution of expected time of flight 30 ps 30 ps

Total time reso, one layer of TOF for 1 GeV

100~110 ps 110~120 ps

Total time reso, double layer of TOF for 1 GeV

90 ps

Time resolution for BESIII/TOF.

Non T

OF

~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

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.

800

966 1676


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。


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。


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.


PMT Gain Measurement

The gain measured of R5924 PMT with three methods

SPE method With LSO crystal With XP2262 PMT From Hamamashu

PMT01 2×107 0.53 3.8 ×107 3.0 ×107

PMT02 1.45×107 N/A 3.2 ×107 2.3 ×107

PMT03 2.7 ×107 1.0 8.2 ×107 4.7 ×107

PMT04 N/A 0.49 N/A 2.4 ×107

相对误差 ~3%


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


PMT measured for 1T at KEK by Tokyo Univ.


Cosmic test

The energy deposit in ETOF for MIP


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。


Test Results(1)

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


Test Results (2) The beam tested results show that the time resolution of ETOF(BC404) with ESR film wrapped is between <80ps.


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；


The Layout of ETOF scintilla

tor bar


设计与改进

粒子击中不同各个位置的时间分辨

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。


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


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


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


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


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

PMTPMT信号信号

输入，放大级输入，放大级输出级输出级

++

--++

--

RRFF

RRSS

输出差分信号输出差分信号AA11

AA22PMTPMT信号信号

输入，放大级输入，放大级输出级输出级

++

--++

--

RRFF

RRSS

输出差分信号输出差分信号AA11

AA22


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；


ETOF 总体结构


信号电缆高压电缆

光纤

转接头ETOF结构和电缆布局

放大器


Cabling & Grounding


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）


Fiber ConnectingCooperated with Hawaii University


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


End cap single


Q measurement

Total 4 dead Channels!Pre-amp?


Q mean


Time measurement


T sigma after Q-T


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 !


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！

bes-iii tof (endcap) 研制

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