BESⅢ 电磁量能器的进展

董明义高能物理所 EMC

2006.10.31

报告内容： CsI(Tl) 电磁量能器简介 CsI(Tl) 晶体探测器单元组分的质量检测 CsI(Tl) 晶体 硅光二极管（ PD ） 前放 CsI(Tl) 晶体探测器单元的制作和测试 晶体阵列束流实验 桶部量能器安装准备工作 总结

简介 物理要求： 为满足 BESⅢ 的物理目标， BESⅢ 电磁量能器主要是精确

测量 γ 和电子的能量和位置信息。 测量能区范围 : 20MeV ～ 2 GeV ，重点能区 < 500MeV 。

设计目标： * 能量分辨率 : ≤ 2.5% @ 1GeV

* 空间分辨率 σx,y≤ 6 mm @ 1G

eV * 提供中性（ γ ）能量触发 * 在能量大于 200 MeV 的区域具有良好的 e/π 分辨 * 每块晶体读出电子学的等效噪声能量 <220KeV

简介

采用 CsI(Tl) 晶体 吊挂安装结构

Barrel: 120x44=5280 w:21564 kg

Endcaps: 2x(96,96,80,80,64,64) =960 w: 4051 kgTotal: 6340 w: 25.6 t

结构及晶体分布

简介CsI(Tl) 晶体探测器单元结构

简介读出系统

From DetectorPost amplifier Q Module

TestController

Fan-outTrigger

TEST, DAC

CLK

CLK

L1

VME

L1 reset

Buffer full

CLK

L1

L1 reset

Buffer full

L1

L1 reset

Buffer fullSCLK, DIN , SCV

Analog Sum

Preamplifier

CsI(Tl) 晶体探测器单元组分的质量检测质量控制流水线

CsI(Tl) 晶体探测器单元组分的质量检测晶体光输出和均匀性测量系统

CsI(Tl) 晶体探测器单元组分的质量检测

晶体的反射层为：2×100μ 的 tyvek+50μ的铝箔

要求相对于标准晶体 晶体的光输出： >33% 相当于 ~5000e/Mev 晶体光输出均匀性： <7%

小部分晶体的光输出均匀性 >7%

对于小端光输出高的晶体通过局部反射层上画黑线降低小端的光输出

对于小端光输出低的晶体通过加入 ESR 反射膜来提高小端的光输出，加入ESR 膜可以使光输出增加~30%

晶体光输出和均匀性测量结果

CsI(Tl) 晶体探测器单元组分的质量检测

晶体的尺寸公差要求每个侧面为： 0, -200μm 长度为： ±1mm 对于侧面尺寸偏差 <-400 μm 或 >150 μm 的晶体退回厂家返修 , 其余偏差较小的晶体在安装时进

行配对

晶体尺寸测量

CsI(Tl) 晶体探测器单元组分的质量检测

要求经过 1000rads的辐照，晶体的光输出降低 : <20%

或者 经过 100rads的辐照，晶体的光输出降低 : <9%

通过小晶体测试和大晶体抽样测试，大多数晶体的抗辐照性能合格，部分不合格的晶体退回厂家重做

法国退回 87 块，上海退回 316 块，滨松退回 79 块

晶体抗辐照性能

CsI(Tl) 晶体探测器单元组分的质量检测

PD 共 13200 片，其质量检测包括：

暗电流和结电容测量：暗电流 >6nA 不用

老化测试：无明显变化 150hrs@70V,65℃ 光电转换效率： 分为 4 类，与晶体粘接

时配对，同一个晶体的上的两片 PD 为同一类

PD

HV

前放 主放 ADC

LED

混光器

LED驱动

脉冲产生器

门产生器

PC机

PD 质量检测

CsI(Tl) 晶体探测器单元组分的质量检测

组装时根据增益的大小与不同光输出的晶体配对 同一个盒中的两前放差别 <3%

前置放大器测量

CsI(Tl) 晶体探测器单元的制作和测试

晶体探测器单元制作流程

分单双号

质量控制解决问题

晶体打孔

安装底板

安装前放

宇宙线测量真空封装上架储存

反射层上打光纤孔

PD 和晶体粘接

晶体端面加Teflon 反射膜

PD 和光导粘接

前放盒检测

底板检测

CsI(Tl) 晶体探测器单元的制作和测试

晶体打孔

光导粘接

PD

PD

晶体粘接

CsI(Tl) 晶体探测器单元的制作和测试

底座安装

前放安装

CsI(Tl) 晶体探测器单元的制作和测试探测器单元的宇宙线测量系统

宇宙线测量结果

Light output Uniformity

CsI(Tl) 晶体探测器单元的制作和测试

宇宙线测量与 PMT测量结果比较

19 cosmi c/ PMT圈号晶体

- 0. 5- 0. 4- 0. 3- 0. 2- 0. 1

00. 10. 20. 3

1 8 15 22 29 36 43 50 57 64 71 78 85 92 99 106

113

120

NO. of crystal

cosm

ic/P

MT

19 cosmi c/ PMT圈号晶体

- 0. 5

- 0. 4- 0. 3

- 0. 2

- 0. 1

00. 1

0. 2

0. 3

1 8 15 22 29 36 43 50 57 64 71 78 85 92 99 106

113

120

NO. of crystalco

smic

/PMT

第一次测量结果

处理有问题的晶体后测量结果

CsI(Tl) 晶体探测器单元的制作和测试

晶体光输出不均匀性分布

桶部晶体探测器单元已经完成 5100 多块，还有 100 块左右

CsI(Tl) 晶体探测器单元的制作和测试

光纤监测系统

主要监测晶体光输出参数随时间的变化和电子学主放在各个量程的线性。

光脉冲等效能量： 4Mev~2.GeV 可调，满足电子学 3 个量程，每次每块晶体从低到高扫描几个能量点

76 个 LED 单元分 8 组并行工作，每组 9 或 10 个LED 单元顺序工作， 10分钟扫描一次 /天

光脉冲频率 : 300Hz 系统不稳定性为： 0.5% 加温度离线修正后可达 0.

3% 目前已完成同步 LED 单

元制作和测量

光纤监测系统

系统长期不稳定性： 0.27%光纤不均匀性： 8.2%

CsI(Tl) 晶体阵列束流实验

采用 36 块晶体 (33#-38# 各 6 块 ) 组成6x6 晶体阵列

电子学为最后版本，VME 读出。

在高能所的 E3 束上进行电子： 400 ～ 100

0MeV； 混合束：700MeV

好事例率： ～ 1Hz

实验系统

中心 3*3 晶体的时间信息中心 3*3 晶体的能量信息

CsI(Tl) 晶体阵列束流实验

能量分辨率

1GeV 能量分辨率： 2.58%—3×3( 上 ) 和 2.67%—5×5( 下 )

CsI(Tl) 晶体阵列束流实验

位置分辨率

图中横坐标为晶体判断的击中位置和定位丝室给出的位置之差 粒子击中晶体的位置，由如下公式给出： Xcry=(ΣiW(Ei)Xi)/ (ΣiW(Ei)) 其中 W(Ei) = Max[0, 4.0+ln(Ei/Ebump)] ， Xi 为晶体的位置

X 方向空间分辨

率： 5.54mm

Y 方向空间分辨率： 5.61mm

CsI(Tl) 晶体阵列束流实验

CsI(Tl) 晶体阵列束流实验

空间分辨率完全达到设计要求： (<6mm@1GeV)

CsI(Tl) 晶体的时间信息可以用于排除明显的噪声信号从而提高电磁量能器的运行参数

能量分辨率比设计要求 (<2.5%)稍低，主要受以下因素影响：* 束流本底的影响* 束流的动量不确定性（空间分布和时间漂移）*温度效应

束流实验总结

桶部量能器的安装准备工作

桶部有 44圈晶体组成，每圈 120 块晶体 安装时采用轴向安装方式，每根钢梁吊挂两排 88 块晶体， 44圈晶体

每圈的两块晶体在一根钢梁上 桶部有 60 根钢梁，晶体的安装以钢梁为单位，对称安装

The cross sectionof the barrel

Along Axis direction:

44circles×2modules/super module:

AlongΦdirection:

60super modules

晶体的安装过程比较复杂，经过长时间的反复的安装实验和仔细的研究，已建立一套行之有效的安装操作流程

刚开始使用假晶体和模型安装槽进行安装实验，多次模拟了整个安装过程，包括晶体的摆放， L型连接板，电缆，冷却水管，以及检测光纤的安装，摸索经验。

后采用真晶体进行试安装，也取得了比较好的安装效果 9月份量能器机械结构已到，两个安装槽也已经到位，目前

在正式的安装操内刻度定位，试装晶体，找到并解决了新槽内安装的一些问题，第一批晶体的试装已经成功完成，并取得了比以往更满意的安装效果。

第一根钢梁的安装正在启动。

桶部量能器的安装准备工作

桶部量能器的安装准备工作

桶部量能器的安装准备工作

总结

桶部晶体， PD ，前放已全部到货，端盖晶体已到货约 800 块。

完成了所有的桶部晶体、 PD、前放的质量检测完成了 5100 多块桶部晶体探测器单元制作和宇

宙线测试，还有约 100 块 做了大量的安装实验和安装准备工作及安装人员

的培训，制定一套较成熟的安装流程 量能器机械结构已经到位，第一根钢梁的试安装

工作正在进行，计划 2 根钢梁 / 3~4天。

谢 谢！