（粒子物理与原子核物理专业论文）高时间分辨tof探测技术的研究.pdf

摘要 最近几十年随着粒子物理与核物理的发展，人们对物质世界的认识不断深 化，多种基本粒子的发现以及标准模型的建立就是最好的证明。而粒子探测技术 的发展对物质结构的研究有着极大的促进作用。利用越来越高能量和高粒子束流 强度的加速器或对撞机，粒子物理实验要求快速的记录愈来愈复杂的高事例率事 例。飞行时间探测器( t i m eo ff l i g h t ，t o f ) 通常是高能物理实验巾探测器的重 要组成部分，其主要用途是测量带电粒子的飞行时问进而实现粒子鉴别。高时问 分辨测量技术及t o f 的研究和发展直是实验物理学的重要课题。高时间分辨t o f 技术包含：高时间分辨探测器研制；快电子学技术和读出方法；以及实验和数据 处理技术。目前被用作t o f 的探测器有主要有两种：有机闪烁探测器和高时间分 辨的气体探测器。提高飞行时间探测器的本征时间分辨是提高整个飞行时问谱仪 的时间分辨的关键。作者先后参加了b e s i i i t o f 闪烁体探铡器，s t a r t o f 和 a l i c e t o f 多气隙电阻板室( m r p c ) 的研制工作，对两种探测器的工作机制，尤 其是飞行时间测量技术和实验方法进行了大量的研究工作。在这篇论文中，综述 了我在三年的博士论文期间，对两种探测器的丁作原理，性能测量，理论计算和 实验数据分析的研究结果。 b e s i i i 端盖飞行时间谱仪( e n d c a pt i m e o f f l i g h t ，简称：e t o f ) 由2 4 8 个塑料闪烁探测器构成，采刖快时问响应的塑料闪烁体和抗磁场的细栅型 ( f i n e - m a s h ) 光电倍增管( p 姗) 。其主要物理口标是在1 g e v c 动量范围实现对 k 介子2 0 分辨，设计要求e t o f 总时间分辨率达到l l o 一1 2 0 p s ，包括：束团时问 的不确定性，起始时间测量的精度，电子学时间测量精度等，其中e t o f 探测器的 本征时间分辨要求达到8 0 p s 。 t o f 本征时间分辨与闪烁体的性能和光电倍增管参数直接相关，主要由闪烁 体的发光衰减时间，光电倍增管中光电子的渡越时间涨落和光电子数的大小决 定。而光电子数与闪烁体发射光的波长、光产额、几何形状、闪烁体的发光衰减 长度、光传输过程和光电倍增管的光谱响应及量了效率有关。当闪烁体和光电倍 增管性能确定后，t o f 本祉时间分辨主要由粒了击中位置到光电倍增管的距离和 光电了数决定，其中光传输过程对光电了数的影响与晶体几十口形状和不同包裹材 料的对光吸收和反射特性有关。根据b e s i i ie t o f 的设计方案，为了使探测器达 到最佳本征时间分辫，发计和制作了特殊构型的闪烁探测器。研究了光电傧增管 ( r 5 9 2 4 ) 和塑料闪烁体( b c 4 0 4 ，b c 4 0 8 ，e j 2 0 4 ) 的性能。使用8 0 0 m e v 实验电子束 测量了几种包装材料对单个闪烁探测器模块光收集和本征时闻分辨的影响。结果 显示，在闪烁体一端加切4 5 。斜面、采用e j 2 0 4 和b c 4 0 4 晶体并使用t y v e k 纸 或者e s r 包装，e t o f 时间分辨小于8 0 p s ；采用e s r 材料包装可获得较大的输出 信号( 相对于锚包装提高1 0 ) ，提高了探测器的性能。通过模拟光子在闪烁体内 的传输过程，对粒子击中闪烁体不同位置时得到不同的时间分辨作了解释。这些 研究结果为确定e t o f 工程方案提供了重要的依据。 m r p c 是一种工作在雪崩模式下的气体探测器。在两个电极之间插入若i ：具 有一定电阻牢的电阻板，电阻板处于悬浮电位，在高电场作用下，电阻板具有类 似半导体的特性，使得各个电阻板的内电场为零，电阻板上下表面处于相同的电 位，这种特有的静电学特征使得它可以将大间隙之间的大尺度的雪崩的信号变成 若干小气隙之间的小尺度的雪崩信号，这是以往气体探测器从未有过的新现象。 对这种气体探测器的工作机制和探测技术有许多问题亟待研究解决。 l h c a l i c e 和r i c 邮t a r 实验都研制了m r p c 厂t d f 用于带电粒子鉴别，要求 具有全方位角的接收度和大跨度的中心快度区间，单个m r p c 模块的时间分辨 好于l o o p s 通过对m r p c 的工作过程的模拟研究，得到了m r p c 的电荷谱分布。与实 验结果的对比证明，由y - m r p c 采用多气隙结构，感应输出电荷是各气隙雪崩电荷 之和，增加了感应信号收集效率使其输出信号更接近高斯分布，较大的电荷鼋也 使读出p a d 边界上的性能得到改善。 在参与s t a r 和a l i c e 实验m r f c t o f 的制作中，对制作工艺进行了优化，包括： 使用表面电阻率大于1 m d d s q u a r e 的l i c r o n 导电漆喷在玻璃板上代替 2 0 0 k o s q u a r e 碳膜作为电极，使得懈p c 的时间分辨在边界上得到改善，对l i c r o n 电极的表面电阻率稳定性进行了测量，在长时间放置后电阻率趋于稳定；对双层 探测器室采用上卜层鱼线错开的z 型绕法避免探测器的死区保持了探测效率等。 对m r p c 样品进行了宇宙线和束流测试。参与了a l i c e t o f 新的前端电了学系 统和数据获取系统的测试。在数据处理中采用了新的时间- t o t 修正方法。研究了 工作气体对m r p c 时间分辨的影响和读出p a d 边缘效应等问题。改进后的测试结果 表明：a l i c e t o fm r p c 的时间分辨达到4 0 - 6 0 p s ，好于l o o p s 的预期目标。 在上述研究基础上，试制了一种4 x 6 气隙的) d r p c 实验原型，并使用新的方 法对其性能进行研究，宇宙线测试的结果显示，其时间分辨为达到3 5 4 0 p s ，探 测效率接近1 0 0 9 6 。这一结果是目前技术条件fm r p c 所能达到的最好的时间分 辨，为发展的m r p c t o f 技术提供了新的实验结果。 在论文研究期间，参与了意大利超高能宇宙线观测实验( e e ep r o j e c t ) 项 目探测器研制，该项目通过对地球表面上大范围的宇宙线能量和径迹的测量，研 究广延大气簇射现象，要求探测装置具有较大的探测区域( 2 m * i m ) ，良好的时间 分辨( 1 0 0 2 0 0 p s ) 和空间分辨( m ) 的粒子其飞行时间差可以表示为： 咖墨篮；堕 2 p 2 0 假设测得的时间谱为标准的高斯分布( 方差为矿) 时，可以估算出t o f 的 分辨能力：a t 3 3 8 0 , 时正确率 9 5 4 ，即满足2 叮鉴别能力i a t 5 6 0c r , 时正确 率 9 9 7 ，即满足3 0 鉴别能力。例如对于丌，k 介子( m 。= 1 3 9 6m e v e ， m k = 4 9 3 7 m e v e ) 在飞行距离为3 5 m 、d t = i o o p s 时要实现3 0 分辨的动量上限为 2 ，1 g e v ，而相同条件下对于k 介子、质予p 分开的动量上限为3 5 g e v 。图0 i 给出了不同飞行距离和系统时间分辨得到的粒子鉴别能力与动量的关系。由丁，飞 行距离以及目前飞行时间探测技术的限制，t o f 主要针对于2 g e v c 以下动量范 围内的粒子的鉴别。 6 目o 1 不同行距离和系统时间分辨得到的粒f 箍剐能力与动量的关系 t o f 系统的测量误差可以表示为盯+ 口乙，吒。和口。分别表示粒子的 起始时问和到达时问的晃动，其中起始时问的信息通常由放置在束流对撞点附近 的探测器给出，主要包括束流脉冲长度的不确定性、束团对撞时间的不确定性等 决定，而到达时间则是由t o f 给出，包括t o f 本征时问分辨、粒子入射位置和角 度的不确定性、粒子飞行时间的预期不确定性、电子学测量系统的晃动以及电子 学阈值的影响等。目前粒子物理实验中使用t o f 探测器对于低动量重离子的探测 一般要求有高的探测效率，好的时问分辨能力，简单的电子学读出，粒子接收度 大。一般要求整个系统的时间分辨能够达至0 1 0 0 2 0 0 p s 。 目前技术比较成熟的飞行时问测量探测器是：有机闪烁体+ 快光电倍增管模 式。这一模式在t h = 界犬型物理实验中被多次使用，比如l e p ( l a r g ee l e c t r o n p o s i t r o nc o l l i d e r 上的d e l p h i ( d e t e c t o rw i t hl e p t o n ，p h o t o na n dh a d r o n i d e n t i f i c a t i o n ) 实验，b e p c = 的谱仪b e s i i ，日本k e k 的b e l l e 等等。闪烁体探测 器优点是适用范围比较广，能在各种复杂的环境下使用；闪烁体制作简单并町制 作成较大的尺寸，探测效率高；能用于高能粒子的探测：本征时间分辨在l o o p s 左右，并能工作在高计数率环境中；输出信号幅度大，可以减轻后续电子学负担。 例如，k e k b e l l e 的t o f 系统【1 8 】，它包括触发用的时间计数器( t i m es t a m p c o u n t e r ，t s c ) 和t o f 两部分组成( 如图0 2 ) 。其塑料闪烁体采用光衰减长度 大于2 5 m 的b c 4 0 8 ，长2 5 5 0 m m ，宽6 0 r a m ，厚4 0 r a m ，光电倍增管采片j 特殊的r 6 6 8 0 ( h a m a m a s t u 公司专门研制的) ，具有2 4 个细栅型( f i n em e s h ) 的打拿极， 在1 5 t 的强磁场中的增益仍能达到3 l o o 。 b a c k w a r df o r w a r d i pe z = a u n t ：c m 田0 2b e l l f j t o f 模块示意圈，包括域端p m t 读出的弼烁体t o f 和单端读 l 的阿烁体t s c 。佟i 中单位：m m 图0 3b e l l e t o f 的时阃分辨( 定圈) 圈中硼点为双端读 i i 时问加般平均的a 值；伥分辨能力( 右图) 由于b e l l e ，r o f 采用特殊的高增益光电倍增管，而且与闪烁体直接耦台， 有效收光面积达6 0 。其t o f 的总时问分辨率能够达到1 0 0 p s ( 如图0 3 左图所示) ， 其中本征时问分辨能达到8 5 p s ，对州k 介子的鉴别动最达到1 2 g c v ( 如图0 3 右图 所示) 。 随着高能重离子实验的能量和亮度的提高，末态粒子多重数越来越高( 例 如a l i c e 实验预计每单位快度可达n 8 0 0 0 个末态粒子) 对探测器的测量精度 和读出电子学通道提出了大量要求。由于探测器所处的强磁场环境下工作的光电 8 倍增管价格昂贵，必须寻找一种更经济的探测器模式，并且具有更高时间分辨的 t o f 技术。为此，人们开展了大量的研究，提出了一些新思想和新方法，例如将 气体探测器引用到t o f 中，为进一步拓宽气体探测器的应用领域，提高t o f 的 性能价格比提供了一条新途径。近年来一种具有悬浮电场内部结构的多气隙电 阻扳室( m u l t i g a pr e s i s t i v ep l a t ec h a m b e r s ，简称m p r c ) 【19 使研制这种新型的 高时间分辨t o f 成为可能。 对具有平行板结构的气体探测器而言，减小板问的气隙以减小雪崩发生的时 间随原初电离位置的变化，可以提高探测器的时问分辩。存这方面人们对各种结 构的气体探测器开展研究，如小间隙多丝事( m g c ) 、电阻板室( r p c ) 等。但 是减小气隙使得原初电离离子数目和电子的漂移距离减小，从而探测器输出的感 应电荷减小。以大面积的r p c 为例，气隙减小到l m w l ，工作在正比模式下，对最 小电离粒子，时间分辨达到几百p s ，其输出电荷仅为几十f c ，信嗓比很低。m r p c 采用多个子气隙的结构特点较好地解决了上述问题，并逐渐发展成为新一代 t o f 。用m r p c 做成的飞行时间谱仪，不仅具有高的粒子鉴别能力，而且造价便 宜，约足相同指标的闪烁体十光电倍增管模式的l 5 1 1 0 。 美国布鲁克海文围家实验室( b n l ) 的相对论重离子对撞机r h i c 卜的s t a r 探测装置 2 0 ，2 1 1 将采用m r p c 作为其t o f 探测器。图0 4 是由中国科技大学和美 国r i c e 大学合作研制的m r p c 厂r 0 f 探测装置( 简称t o f r ) 。在s t a r 探测器的物 理运行测试结果表明：这种m r p c 模块，平均本征时间分辨为8 5 p s ( 如图0 5 ， 图中包括5 5 p s 的起始时间晃动) 。充分的扩展了t p c 的粒子鉴别能力。应用t o f r 之后，其n k 分辨由- 4 ) 6 g e v c 提高到1 6g e v c ， ：p 分辨由1 5 g e v c 提升到 3 0g e v c 。图0 6 给出了r h i ca u + a u6 2 c , e v 运行中，得到的实验结果【2 2 】。 9 譬1 0 4s 1 a p , i o f rm r p c 模块与安装好饷t o f r 照片 t i 聃j m 0 5s t a r t o f rm r p c 时问分辨，其中包含顶点探铡器铡得的5 5 p s 的起始时问晃动 l o 圄0 62 0 0 4 年g l - l i ca t t + a u6 2 c i e v 对攮中得到的结果 为了得到好的时间分辨，除发展新的探测器技术之外，与其直接相连的前端 电子学以及数据采集系统( d a q ) 性能的提高也很重要。t o f 要求精确的时间测 量，即测量探测器输出信号相对于某参考时间的时间间隔，就要求由电子学系 统和d a q 所带米的时间测量的误差尽量小。t o f 的读出电子学要解决三个问题： 1 ) 使用前端快放大器对探测器出来的信号进行预放大，对于闪烁体探测器 来说使用高增益的p m t 输出信号已经足够大一般不需要前置放大器，而对于 m r p c 输出电荷量 d i e l e c t r i c ) 。光子可以发生折射和反射； 2 ) 电介质一金属( d i e l e c t r i c - - - m e t a l ) 。光子可以被金属材料吸收，或被反射回电 介质材料才中。光子彼反射的几率决定于金属材料的反射率； 3 ) 绝缘_ 黑体( d i e l e c t r i c - - b l a c km a t e r i a l ) 。如果用户对一种介质的光学性质不 做任何定义，g e a n t 4 就会默认它为黑体，光子一旦入射到黑体，就会立刻被吸 收。 在模拟程序中，将空气层和铝箔边界，或空气层和t y v e k 纸材料边界设为电 介质寸金属。其余各交界面，如硅油与闪烁体边界，都设为电介质_ 电介质。 铝箔的反射率为o 9 0 ，t y v e k 纸是部分透明，可有部分光子出射，单层t y v e k 纸 反射率约为0 8 0 9 ( 1 主i 其型号决定) ，但在实验中可进行多层包裹以提高其反射能 力。另外，g e a n t 4 还提供了模拟镜面反射和漫反射的功能，模拟过程中将铝箔 表面定义为光滑( p o l i s h e d ) ，t y v e k 纸表面定义为粗糙( g r o u n d ) ，以比较这两种 反射对t o f 性能的影响。 在追踪光子传输过程中，作了小的补充。当光子从闪烁体入射到硅油层时， 存在一截断角= s i n n ”u p e ，其中础为硅油的折射率，。为闪烁体的折 月群i 哦 射率，只有入射角小于它的光子才能透过硅油进入p m t ，其余的都被全反射凹 闪烁体。 1 3 3 光电倍增管响应 r 5 9 2 4 光电倍增管的发射谱波长范围在4 0 0 n m - 4 5 0 n m ，r 5 9 2 4 光电倍增管光 阴极的辐照灵敏度处在坪区( 8 0m a w ) 范围内，其平均量子效率为o 2 1 3 ，阴极发 射的光电子被收集的平均效率为0 6 。 在模拟过程中，以量子效率和收集效率的乘积作为光电子抽样的平均数。光 电倍增管采片j 阳极加正高压分压电路。它的单光电子响应脉冲可以用下而公式描 述【7 ，8 】： 砸，= 罢击陬b * e b 2 ，2 1 2 e 咖c 与笋h a t e a 2 0 2 1 2 咖c 弓笋w 其中， 口= ( + 2 4 r ) 2 ，b = 一( 一2 4 r ) 2 ，= 芝蒜笋一面1 c t ci - 5 ) 0 为光电倍增管的增益系数，q 为输出电荷，c 口是阳极和最后一个倍增极问的 电容，取为4 0 p f 。取耦合电容c 为2 2 0 p f , r 为负载电阻( 1 0 k f l ) ，阻抗z 为 5 0 f l 。为使波形的卜升时间为2 5 n s ( 见1 4 节r 5 9 2 4 的性能测量结果) 取 盯= 1 2 3 n s 。光电倍增管的输h j 信号是所有单光电子脉冲倩号的叠加： ，一 巧胛( t ) = 芝v j ( t - t r r - ( t o ) ，) ， ( 式i ) i = l 其中瓴) ，为每个单光电子各自生成时间，弓，为渡越时间。 1 3 4 模拟结果 根据b e s i i ie t o f 设计和以上的分析，首先对p m t 接收到的光电子时间分 布，输出脉冲波形和分布进行模拟和讣算( 见图1 4 a ，1 4 b ) 。图1 5 a 和1 5 b 是 电子击巾探测器不同位置的p m t 接收到的光子数和输出信号幅度、以发时间分 辨( 盯) 的模拟结果。图中是以闪烁体较宽一端为原点，分别模拟电子从6 c m ， 9 c m ，1 4 c m ，1 9 c m ，2 4 c m ，2 9 c m ，3 4 c m ，3 9 c m 处入射的情况( p m t 在4 4 8 c m 处) 。 闪烁体包裹材料为铝箔，端部有4 5 度斜面，每个位置取4 0 0 个事例，输出信弓幅度 为4 0 0 个事例统计平均值。在p m t 信号的时间分布的取样中，阀值条件设定为 3 0 m v 作为信号产生时间。模拟得到的p m t 信号的时间分布见图1 6 a 。由于p m t 输出信号幅度不同，造成前沿定时取样上的时间晃动，因此进行时幅( t a ) 修 正。图1 6 b 是模拟获得的一个典型的a 关系图，拟合函数采用二次多项式， 即：r = p o + a x a + 岛。彳2 ，其中p o ，a ，岛为拟合系数。 圈1 4 ( a ) 光电子时间分布谱和输出信号波形； ( b ) 1 3 g e v 也r 存闪烁体中的能盘沉积( 廿咄纸包裹，4 5 度倾角) “i _ l i 图1 5 ( a ) 不同位置的输出信号幅度( ) 和p m t 接收的光7 ：数目( ) ；( b ) 不周位置的时间分辨( t a 修正后) 躅l 6 ( a ) 对阃分布谱( t - a 修正后，击中位置在：1 4 c m ) ；( b ) 典型的a 关系 图1 7 是探测器在几种条件下的输出信号幅度和时间分辨计算结果。通过比 较可以得出：1 ) e t o f 光收集效率随着电子束入射位置向闪烁体安装p m t 的一 端靠近而提高，但时间分辨在1 2 5 e r a 处最大；2 ) p m t 的端切4 5 度斜面可 以明显改善t o f 的时间分辨能力和荧光收集效率；3 ) 在反射率相同的情况下( 均 为9 7 ) ，用t y v e k 纸包裹闪烁体的效果要好于用铝箔包裹。虽然两种情况下的 荧光收集效率大致相同，但t y v e k 纸外壳的时间分辨璺优于铝箔。这是因为铝箔 表面对光子的反射效果类似镜面反射；而t y v e k 纸表丽反射效果接近漫反射，使 得各个光子在闪烁体内传输的路程长度较为接近，因此到达p m t 的时间涨落也 较镜面反射小，使时间分辨得到改善；4 ) 在用t y v e k 纸包裹闪烁体的情况下， 模拟结果表明虽然反射率为8 0 时的p m t 输出信号幅度较小，但时间分辨率却 要好于9 7 时的。通过追踪这两种情况下各个光子在闪烁体内的传输，一种町能 的解释是：反射率为8 0 时，多次入射到t y v e k 纸表面的光子有更大的几率发生 透射，进入吸收层被吸收而损失掉。这意味着只经过较少次反射的和直接入射的 光子在p m t 接收到的光子中占了更人的比重。这就使p m t 接收光子的到达时间 更为接近。因此，尽管有部分光子损失，但是时间分辨还是得到了改善。 为了得出一个最佳方案，有必要对不同反射率t y v e k 纸条件下的探测器性能 进行模拟，模拟结果见幽1 8 a 和图1 8 b 。由于1 0 - 2 0 c m 是时间分辨需要改善的 主要灵敏范围( 见图i 6 b ) ，所以选择其中两处( 1 4 c m 和1 9 c m ) 处为粒子击中位 置。模拟结果显示，随着t y v e k 纸反射率的下降，荧光收集效率降低，但在8 0 反射率条件下的探测器时间分辨最佳。这可能是p m t 接收光子数下降和光子到 达p m t 时间涨落减小两种效果互相影响的结果。 圈1 7 ( a ) 不同条件下各个位置的p m t 信号幅度；( b ) 不同条件下各个位置构时闻分辨 圈中符号分别表示；l 咿q y v e k 纸包裹( 4 5 度斜面) ，反射率0 9 7 ( 漫反射) 铝箝包裹( 4 5 度斜面) ，反射 率o 9 7 ( 镜呵反射) 0 榴箔包裹梯形) 反射率o 9 7 ( 镜面反射) t y v e k 纸包裹( 4 5 度斜面) ，反射率 o 8 0 ( 漫反射) 图1 8 ( a ) 不同反射率的t y v d 纸包装的幅度变化；( b ) 不同反射率的t y v e k 纸包装的时问分辫变化 ( 固中：粒子入射住置在1 9 c m ，入射位置1 4 c m ) 闪烁体切割斜面角度不同对光反射不同，从单纯光学规律计算4 5 度切角是发 生全反射最大的角度。由模拟结果可见( 见表卜3 ) ，4 5 度斜而时的情况也是最 理想的选择。 表1 3 不同角度斜l l i i 的t o f 性能的模拟结果 闪烁体斜面角度 5 5 04 5 04 0 。3 5 。 a ( m v ) 2 0 2 7 6 92 4 1 0 8 22 3 7 8 3 91 9 3 4 5 7 仃( p s )7 70 7 5 4 - 43 3 36 6 1 8 4 - 2 $ 6 16 8 3 1 l4 - 4 3 2 47 5s 3 0 4 7 4 4 1 4 光电倍增管性能测量 光电倍增管r 5 9 2 4 其外径为5 1 f i l m ，光阴极直径为3 9 m m ，考虑闪烁体端面 面积近似为5 0 m m x 6 0 m m ，其接收光有效面积占4 0 。具有19 个f i n em e s h 结 构的打拿极，量子效率对波长在3 0 0 n m 一5 0 0 n m 之问的光都比较高，对4 2 0 n m 波 长的光达到最高：2 2 。电子收集效率为0 6 。具有良好的时间响应特性，阳极 脉冲上升时间为2 5n s ，如图1 9 所示。 图i 9 r 5 9 2 4 阳檄和打牵极输出脉冲形状：脉冲上升时间砬5 n s 工作电脚屯流为2 0 0 0 v 0 2 9 m a 依据h a m a m a t s u 公司提供该p m t 基本的设汁参数，考虑剑在端盖附近 b e p c i i 背景辐射可达到1 0 4h z 9 ，如要求工作的增益稳定达至日 0 1 m a 根据这一基本要求，我们设计了p m t 分压电路，研究了有关的 测量方法和测量装置。在此基础上完成了r 5 9 2 4p m t 各方面的性能测试： 1 ) 首先对p m t1 1 5 9 2 4 的倍增系数进行测量。p m t 的增益随高压的变化可 n 以用幂指数表示，即g = = 兰- = a v 4 ( 式1 - 7 ) v o 敛 其中q 为光电倍增管阳极输出信号的电荷量，q c 为单位电荷所带电量，n 为光 电倍增管阴极所产生的光电子数，a 为一与p m t 倍增极材料和分压电路有关的 常数，a 为增益系数。因此通过测量光电倍增管阴极所产生的光电子数和阳极输 出信号电荷量即可得到光电倍增管的增益首先使用能量分辨型的p m t x p 2 2 6 2 b 测得其单光电予谱和其在待测光源下的阳极输出幅度峰位，计算得到 光源的输出光予数n o ，然后使用相同的光源照射r 5 9 2 4 ，根据两种p m t 对光源 波长不同的量子效率，将n 0 折算成r 5 9 2 4 实际接收到的光子数n ，进而确定不 同高压下r 5 9 2 4 的增益和增益系数a ，测量结果如图1 1 0 图1 i l 是对】1 2 个 r 5 9 2 4 p m t 增益系数a 的测试结果统计； 罔1 1 0r 5 9 2 4 增箍随高压的变化，倩增系数口- - 8 ，3 2 i 皇 一i - 蔗j ：角为幅度薛 幽1 ，i l l l 2 个r 5 9 2 4 样品的增益系数a 的测盘结粜 2 ) 使用l s o 晶体( 自身含有放射性元素l u l 7 6 并伴随p 吖级联辐射) 测 量r 5 9 2 4 磁场下的增益。r 5 9 2 4 工作电压，电流：2 0 0 0 v 0 2 9 m a 。结果如图1 1 2 ， 其v e ：j , l $ 为测得的r 5 9 2 4 的输出幅度谱；在磁场为0 时，增益为1 0 7 ；在磁场为 0 5 t 时，增益为2 x 1 0 6 ；在磁场为1 o t 时，增益为2 5 x i 0 5 ： m 州印f n ci n t e l s i r y ( t ) 图l ，1 21 1 5 9 2 4 增益随磁场强度的变化图中小阁为幅度谱 3 ) 采用c h e r e n k o v 单光子方法测量r 5 9 2 4 的电子渡越时问涨落。光脉冲 入射到光电倍增管( p m n 的光阴极，经光电变换( 与量子效率有关) 、电子倍增 后，脉冲的到达时间各不相同，该接收时间的分散即为p m t 的渡越时间涨落【l o 】， 因为渡越时间涨落与光电了数目有关，一般用单光电子的渡越时间涨落( t t s ) 来 表示p m t 的性能。测量竹s 的常用方法是利用超短脉冲激光器产生的激光来进行 的为了能在单光子状态测出这么短的时间间隔，要求脉冲激光器的脉冲宽度要 远小于t t s 值，以消除光子涨落带来的测量不确定，也就要求激光脉冲宽度远小 于l o o p s ，但激光器费用太高，在实验经费有限的情况下，无法采用。我们采用 了一种使用弱我们采用了一种使用弱y 射线在p m t 光阴极窗上发出切伦科夫， ( c h e r e n k o v ) 光来测量t t s 的方法，方法简单、可靠、效率高，测量装置见图1 1 3 。 利用a 放射源发射出的两个相关背对运动方向的，( 时间相差i p s ) ，一个到达 已知p m t ( 已与闪烁体耦合) 产生信号作为触发，另个直接打到待测p m t 光阴 极与p m t 光阴极窗作用产生一定动能的电子，该电子的速度超过切伦科夫光产 生阈时在特定方向发出切伦科夫光，再经过光电转换电子倍增后产生输出信号， 如果一次射线产生的切伦科夫光足够弱，使产生的光电子数日近似为l ，可以用 来测量t t s 。具体对r 5 9 2 4 的t t s 测量结果如见图1 1 4 ，测到的渡越时阃涨落为 4 6 0 p s ； i 1 2 0 1 0 0 8 0 6 。 4 2 0 o 翟1 2 0 o 8 l o o 8 0 6 0 4 0 2 0 0 圉l ，1 3c h e r e n k o v 单光子方法铡景9 3 9 2 4 的 电了渡越时间涨落柏实翰装置 1 2 0 0 1 2 5 0 1 3 0 0 1 3 5 0 1 4 0 0 1 4 5 0 1 5 0 0 t a c 围1 1 4 使用c h e r e n k o v 单光子方法测晕得到的r 5 9 2 4 的输d 幅度谱 ( 上图) ，l 髀表示单光_ f 成分，所有拟合均采片j 采用泊松加高斯卷积； r 5 9 2 4 7 9 越时间涨落分布( 下圈) f w h m = 8 1 3 6 2 $ p s 2 3 5 4 ，扣除电子 学系统涨落后f w h m = 4 6 0 p $ 4 ) 根据实验要求，设计了r 5 9 2 4 的分压电路。为了研究制作的p m t 分压器 的长期工作稳定性，测量p m t 工作电压对管座内部温度影响，如同1 1 5 ； 罔1 1 5p m t 管内部温度与t 作电压的关系 通过对r 5 9 2 4 各方面参数的测试，综合考虑b e s i l l e t o f 的具体睛况，除 在磁场为1 o t 时增益略显不足外，其它性能都符合实验要求。 1 5e t o f 模块性能的束流测试 为了研究t o f 闪烁体探测器模块的性能，使用8 0 0 m e v 的实验电子束对该飞 行时间探测器的性能进行测试。通过改变塑料闪烁体的包装、形状、光电倍增管 ( p m t ) 的工作电压、电子束入射位置等实验条件对单个t o f 模块的时间分辨进行 研究，为工程设计和t o f 研制提供重要的数据( 具体实验结果已发表在m e a s s e i t e e h n 0 1 1 7 ( 2 0 0 6 ) 2 6 5 0 - 2 6 5 4 ) 。 图1 1 6 是整个实验柬测试系统示意图。该实验束是北京高能物理所为b e s i i i 探测器研制的一条专i j 的试验电子束【l l 】。经过直线加速器加速后的电子，首先 利用与靶的弹性散射来调整散射后电子柬的强度。经过磁场选择获得动量为 8 0 0 m e v c 的电子束( 其在闪烁体b c 4 0 4 中的能量沉积模拟结果如图1 1 7 ) ，同 时利用c h e r e n k o v 探测器对粒子种类进行选择。c h e r e n k o v 探铡器与闪烁探测器 s l 和s 2 组成望远镜系统，并给出触发时间( h ) 信号作为a d c 和t d c 的门。 两个多丝正比室m w p c ! 和m w p c 2 相距1 4 2 c m ，可以提供入射电子的位置信 息，其位置分辨约o 5 m m 。四个面积为2 c m 6 c m ( 厚o 5 c m ) 的闪烁体探测器 ( t i ，t 2 ，1 3 ，t 4 ) 给出测量系统的起始参考时间( t o ) 。待测t o f 模块距离t 4 为 1 0 c m 。为去除散射本底在t 1 m 前增加了铅屏蔽。 圈1 1 6 s 0 0 m e v 实验束系统示意网 图1 1 7s 0 0 m c v 电子在闪烁体的能量移c 积 1 5 1t o 时间分辨的测量 为了测定t o f 本征时间分辨，首先需要确定测量系统的起始时问( t d ) 的 晃动。当电子穿过测量系统，t l ，睨和t o f 探测器给出的时间分别为t l 、t 2 和 t 。相对于触发时间t t ，电子到达各个探测器的飞行时间分别为 t i = f l - ，t 2 = t 2 - ，t = 卜 ( 式卜8 ) 因此测量得到t o f 的时间谱中包含了触发时间的统计涨落。由关系式i 8 可以 消除触发时间的统计涨落影响，并得到以下关系式： t - 婴：卜t l + t 2式t 9 ) 22 根据误差传递公式，进一步得到t o f 本征时间分辨为： 咿厚孑覃 式中巳竺堡是t l ，1 2 两个闪烁体探测器总的时问晃动，实际上表示起始时间( t o ) 的 2 时间分辨。实验最后加入闪烁体探测器i 3 ，1 4 目的是为了测定听。 t l t 2 ，t 3 ，t 4 的摆放位置见图1 1 8 。 圈1 1 8t l ，他b ，t 4 的放置方式 。4。4 “ 4 ： 闺1 1 9t l + t 2 一t 3 + t 4 的谱形 2 2 这样放置可以减小电子入射位置不同引起光了到达p m t 时间的不同所带来 的误差。 设t 3 ，t 4 探测器给出的时间分别为t 3 , t 4 ，测量得到t l + t 2 一t 3 + t 4 时间 22 晃动( 如图1 1 9 ) ： i 晋，= 隔：4 3 5 e h n ( 实验中用的t d c 灵敏度为2 4 t p s c 咻 因为t 1 j r 2 与t 3 t 4 是完全相同的，因此可以得到测量系统的起始时间分辨 峰5 哗2 击哗掣，。- - 击2 x 4 3 5 x 2 4 7 = 拍 1 5 2t _ a 和t - p 修正 图1 2 0 为t o f 探测器钡| l 量得到的原始幅度谱和时间谱。由于在测量中使用 的足前沿定时甄别器，信号幅度涨落将引起定时时间( 的晃动，并且电子击中 t o f 模块位置( p ) 不同将导致信号传输时间不同，因此需要对测量结果进行t a 和t - p 修正。 、 圈1 2 0 t o f 信号幅度谱( 左圈) 和时问谱右隔) 图1 2 l 是测量得到的输出的时间信号与幅度( t - a ) 的关系。图1 2 2 是利用两 个多丝正比室给出的位置信息得到电子击中探测器的实际束斑的大小。采用二次 多项式即：t a = p 0 + p l x a + p 2 x a 2 ( 式中p 0 ，p l ，p 2 为拟合参数) ( 式1 - 1 2 ) 对 受6 量数据进行t a 修正。图1 2 3 ( a ) 和( b ) 是x 和y 方向，卜的测量时间( d 随粒子 击中位置( p ) 的关系。x 方向上t - p 修正使用直线拟合，y 方向上t p 修正使用4 次多项式拟合。陶1 2 4 是经过t - a 和t - p 修正后的时间谱( ，t at t , 二丝) 。 根据式1 1 l 可推算出t o f 探测器的时间分辨： 仉2 其中起始时间晃动恤2 7 6 p s 图l ，2 lt a 修j e = 8 7 p s ( 卜1 3 ) 图1 2 2 粒f 南中探测器的束斑形状 得1 2 3 ( a ) x 方向i 二躺t p 笑系；c b ) y 疗向卜的t - p 笑系 1 5 3 测试结果 圉i 2 4t a 和t o p 修ij ：后的时阃谱 实验对工作在不同条件下的t o f 模块性能作了测试【1 2 】。每个数据点取 3 0 0 0 0 个触发事例。首先为了选择r 5 9 2 4 的正常工作电压，使用铝膜包装的晶体 b c a 0 8 ，测量时间分辨随p m t 工作电压的关系如图1 2 5 ，可知r 5 9 2 4 工作电压 为2 0 0 0 k v 时，可以得到较好的时间分辨和较大的信号幅度。 圈i 2 ，时间分辨与p m t 工作电压的关系 在靠近光电倍增管处，闪烁体有无4 5 0 切角的信号幅度与时间分辨比较见图 1 2 6 ，有4 5 0 切角的闪烁体的幅度和时间分辨都有明显提高，原因是光收集效率 大大提高了。以下的测试我们均选择p m t 工作电压2 0 0 0 v ，闪烁体带有4 5 0 切 角 对三种闪烁体b c 4 0 8 、b c 4 0 4 、e j 2 0 4 进行测试比较，束流中心点对准距离 闪烁体安装有p m t 一端1 4 c m 处，闪烁体的包装使h jt y v e k 1 0 5 8 d ，结果如网 1 2 7 ，b c 4 0 4 和e j 2 0 4 的性能接近，时间分辨和信号输出幅度者i ( 比b c 4 0 8 好， 这说明在较短的闪烁体情况下，较大的光产额和较短的，卜升时间( b c 4 0 4 ) 对时 间分辨的影响要多于较长的光衰减长度( b c 4 0 8 ) 。 对t o f 晶体采用三种不同包装材料：铝膜，t y v e k - 1 0 5 8 d ，e s r m 2 0 4 。测 量结果见图1 2 8 。三种包装时间分辨接近，原因可能是由于晶体长度短，由于光 在晶体内传输时多次反射引起的到达p m t 的时间差不明显。但使用全反射膜 e s r m 2 0 4 时输出幅度较大。 圈i 2 6 ( a ) 仃光切角的幅尘比较；( b ) f 龙切角的时问分辨比较 罔i 2 7 三种不周材料的闪烁体幅度和时阀分辨比较 削1 2 8 。利，币删包装t o f 幅度和时阃分辨比较 1 6 荧光传输特性对e t o f 性能的影响 对于大面积的闪烁体探测器，一般认为粒子击中闪烁体的位置越靠近p m t ， 其荧光收集效率越高，探测器输出信号的幅度越大，并有利于改善时间分辨。但 是根据模拟结果( 如图1 5 b 和1 7 b ) 以及束流试验结果( 如图1 2 6 b ) 可以看到 在粒子击中位置在e t o f 闪烁体中间部分时的时间分辨有一段隆起，需要考虑另 外一种影响本征时间分辨的因素，即光子产生到信号输出时间的分布，主要包括： 3 7 1 ) 闪烁体的荧光产生时间涨落；2 ) 光子的传输时间3 ) 光电子在光电倍增过程 中的渡越时间涨落其中l ，3 由闪烁体和光电倍增管的性能决定，而光子的传 输特性需要通过进一步模拟研究。考虑光子在传输上可以分为两部分，即向前发 射经多次反射后到达p m t 的部分( 定义为直射成分) 和向后发射经多次反射到 达p m t 的部分( 定义为背射成分) 。这就意味着随着粒子击中位置的变化，直射 和背射成分的光传输路径的羌别会变化，当这一变化增大时口j 能会引起光子传输 时间的涨落，进而影响到e t o f 的时问分辨。 为了与实验作比较，选择入射粒子为8 0 0 m e v 电子，闪烁体( b c 4 0 4 ) 使用 e s r - m 2 0 4 包装( 超强镜面反射膜( 3 m 公司e s r - m 2 0 4 ，9 8 全反射，厚度 6 5 9 m ) 。通过对生成的光子的追踪可以统计出光子的被反射次数分布( 如图1 2 9 ) ， 以及总传输时间分布和直射、背射部分的传输时间分布( 如图1 3 0 ) f 1 3 。 7 6 垒5 芑4 笔3 菩2 1 ol o2 0 3 04 0 5 06 0 7 08 0 9 01 0 0 2 9e t o f 闪烁体内光子传输时问分布的模拟结果 t n m o o t h - | a s ! 1 3 0 啪f 闪烁体内光于传输时间分布的模拟结粜 粗略考虑直射和背射的传输时间差可以表示为a t = 【l + n x d v ，其巾a ，为 直线传输距离差，n 为反射次数，d 为闪烁体厚度，o 是光速，因此在入射粒子 位置在距闪烁体宽端ls e r e 处时，得到的时间差应为 “= 3 6 c m + 4 x 5 c m 3 x 1 0 c m s 一= 1 9 n s 式1 1 4 ) 这与模拟结果吻合。对于不同入射位置，e t o f 中背射和直射的比较见图 1 3 l ，可知距离p m t 越远被射和直射成分的传输时间差约小，并且随着距p m t 变近，背射成分变少。 h i tp o s i t i o n e r a 懿；f 广一 涮+ t ：斟 t i 耋 ：6 0 5 5 釜。卜 o ：恚 ! 羞o 4 5 卜 51 01 52 02 5 3 0 1 3 1 背射和直射传输时h j 茬舱位越的变化( 左幽) 背射和立射城分数盘比艇位置的变化( 台幽) 1 3 2 粒子击中位置距闪烁体宽端1 4 c m ( 左图) 和3 0 c m ( 右圜) 时的p m t 输出倍哮形状比较 ”：i：2 m n差p】d；-口一 噎_事芍eq百11 r复譬口 3 3 上升时间随植予入射位置的变化 对2 个不同入射位置的p m t 输出信号的模拟结果见图1 3 2 ，可以看到对于 直射成分，粒子入射位置越靠近闪烁体前端，信号上升越快，意味着时间分辨越 好，背射成分正相反。直射背射的成分比和对信号上升时间影响的综合结果使 p m t 信号的卜升时间在粒子击中闪烁体中间部分时现最大值( 见图i 3 3 ) 。町 以选择适当的具有一定光吸收性的包装材料去除背射成分，但同时p m t 接收到 的光子数也会降低。 1 7 讨论 通过使用g e a n t 4 软件对b e s i i i 端盖t o f 的形状，包装材料，粒子击中位置 对光传输特性的影响，光电倍增管对时间分辨的影响的模拟为寻找提高e t o f 的 本征时间分辨提供参考。模拟结果表明，p m t 垂直安装在闪烁体窄头端时，在 这一段切一个4 5 。的斜面构成端面反射，使用包装材料t y v e k 纸或e s r - m 2 0 4 ， 对提高时间分辨有利。并且粒了击中位置不| 一引起的时间分辨的变化主要由n 烁 体内直射、背射成分的传输时自j 差和数量比的变化引起的。可以通过适当调整 p m t 甄别阈、提高p m t 增益信噪比或者增加光吸收材料来消除背射的影响。 4 0 2-l#，e 圈i 3 4 使用e s r 包装的e j 2 0 4 探测器时间分辨】 用8 0 0 m e v 的电子柬对b e s i i i 端盏飞行时间探测器