【摘要】：北京譜儀(BESIII)是基于τ-charm能區(qū)的大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置,其研究的對(duì)象是τ-charm能區(qū)的相關(guān)物理(如輕強(qiáng)子,charm物理,輕子物理,c介子等),這些對(duì)完善標(biāo)準(zhǔn)模型(Standard Model)理論,尋找新物理有著十分重要的意義。在北京譜儀實(shí)驗(yàn)中飛行時(shí)間探測(cè)器(TOF)對(duì)于帶電強(qiáng)子(如π介子,K介子和質(zhì)子等)的鑒別具有重要的作用。北京譜儀的飛行時(shí)間探測(cè)器是基于塑料閃爍體(BC404)和光電倍增管(R5924),桶部BTOF能達(dá)到90ps,端蓋ETOF能達(dá)到138 ps,對(duì)于π/K粒子鑒別能到1.1 GeV的動(dòng)量。端蓋ETOF設(shè)計(jì)是單層閃爍體,單端讀出,其中電子擊中主漂移室電纜等引起的多次散射(multihits)是影響ETOF時(shí)間分辨的主要因素。為了提高譜儀整體的粒子鑒別能力,因此對(duì)ETOF進(jìn)行升級(jí)以提高其時(shí)間分辨能力。MRPC作為新型氣體探測(cè)器具有以下優(yōu)點(diǎn)：探測(cè)效率高,時(shí)間分辨好,制作成本價(jià)格較低,并且對(duì)光子不靈敏。這些優(yōu)點(diǎn)使得它作為新一代的飛行時(shí)間探測(cè)器被應(yīng)用于高能物理實(shí)驗(yàn)。自2012起B(yǎng)ESIII ETOF合作組開(kāi)始了MRPC ETOF升級(jí)改造項(xiàng)目。該項(xiàng)目要求MRPC探測(cè)器對(duì)于最小電離粒子本征時(shí)間分辨小于60 ps,探測(cè)效率大于96%,電子學(xué)系統(tǒng)的時(shí)間晃動(dòng)要求小于25 ps。整個(gè)ETOF系統(tǒng)時(shí)間分辨小于100ps,滿(mǎn)足在2σ準(zhǔn)確率下π/K的鑒別能力提升到1.4 GeV。并保證其升級(jí)之后的ETOF系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作。本人有幸在博士研究生期間作為聯(lián)合培養(yǎng)學(xué)生,赴中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室參與了BESIII ETOF升級(jí)項(xiàng)目。論文研究期間參與了ETOF系統(tǒng)束流實(shí)驗(yàn),ETOF系統(tǒng)宇宙線測(cè)試實(shí)驗(yàn),ETOF升級(jí)工程安裝以及BESIII ETOF性能分析。MRPC探測(cè)器在北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)E3線上進(jìn)行多次束流測(cè)試性能實(shí)驗(yàn)。針對(duì)800 MeV下高統(tǒng)計(jì)量的質(zhì)子進(jìn)行高壓掃描,閾值掃描,讀出條掃描。其結(jié)果顯示高壓大于±7000 V之后,分辨和效率進(jìn)入坪區(qū),平均時(shí)間分辨～40 ps,探測(cè)效率98%；讀出條掃描實(shí)驗(yàn)顯示讀出條探測(cè)效率97%～98%,時(shí)間分辨34 ps～47 ps,各讀出條性能均勻性較好；對(duì)于0.6G6V～1.2GeV動(dòng)量范圍內(nèi)的質(zhì)子和π介子的動(dòng)量掃描實(shí)驗(yàn),結(jié)果顯示隨著動(dòng)量的增加,質(zhì)子分辨略顯變好趨勢(shì),π介子分辨幾乎不變。這些研究對(duì)于ETOF MRPC探測(cè)器的設(shè)計(jì)和定型奠定了基礎(chǔ),為探測(cè)器的性能進(jìn)行前沿性分析和研究。論文工作期間針對(duì)ETOF電子學(xué)進(jìn)行了相關(guān)的性能測(cè)試和分析。包括電子學(xué)系統(tǒng)的時(shí)間分辨測(cè)試,抗輻射實(shí)驗(yàn),前端電子學(xué)散熱測(cè)試。研究結(jié)果顯示：電子學(xué)系統(tǒng)的時(shí)間分辨結(jié)果大約25ps,強(qiáng)輻射劑量下性能穩(wěn)定在30ps以?xún)?nèi),其中前端電子學(xué)放大板性能隨著隨著外界溫度緩慢變化。整個(gè)電子學(xué)系統(tǒng)工作穩(wěn)定,性能良好,可承受超過(guò)43500 rad累積劑量的背景輻射滿(mǎn)足升級(jí)的要求。ETOF系統(tǒng)各部分(包括MRPC探測(cè)器,前端電子學(xué),后端電子學(xué),氣體系統(tǒng)等)批量生產(chǎn)完成之后,為了保證整個(gè)系統(tǒng)能夠符合升級(jí)要求,搭建了系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行了ETOF系統(tǒng)宇宙線測(cè)試,結(jié)果顯示宇宙線環(huán)境下MRPC探測(cè)器的本征時(shí)間分辨小于60 ps,探測(cè)效率大于96%,ETOF整體系統(tǒng)(包含電子學(xué)和其他晃動(dòng))時(shí)間分辨小于80 ps,系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。我們?cè)诒本┳V儀現(xiàn)場(chǎng)做了譜儀環(huán)境噪聲測(cè)試和MRPC樣室性能實(shí)驗(yàn)。譜儀環(huán)境噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,噪聲對(duì)探測(cè)器影響可以忽略。針對(duì)MRPC樣室的性能研究,結(jié)果顯示在±7150 V和閾值110 mV條件下能能最優(yōu)。沿著讀出條不同位置分辨在50～55 ps,探測(cè)效率平均為97.5%。2015年9月份,ETOF升級(jí)工程全面完成,Bhabha事例結(jié)果顯示,ETOF/MRPC單端讀出時(shí)間分辨能～70 ps雙端讀出～60 ps,探測(cè)效率98%.在端蓋平面上沿著φ方向,以及沿著R徑向和讀出條的方向其效率在和分辨均勻性和一致性很好。相比較Alice TOF時(shí)間分辨-90 ps,STAR TOF時(shí)間分辨～80ps,北京譜儀ETOF時(shí)間分辨有較大的提高。BESIII ETOF升級(jí)項(xiàng)目完滿(mǎn)完成,ETOF的分辨能力從升級(jí)前的110ps提高到現(xiàn)在的60ps,相應(yīng)的pi/K動(dòng)量分辨范圍從之前的1.1GeV達(dá)到1.4GeV。
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【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：O572.212
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本文編號(hào)：2395206