Muon 计数器和 RPC 探测器 张家文 2008 年 7 月 2 日

1. MUON 计数器的目的和作用 2. MUON 计数器常用的探测器 3. BESI 的 MUON 计数器 4. BESIII 的 MUON 计数器 ① 物理需求分析 ② 蒙特 - 卡罗模拟 ③ 总体结构设计 ④ 预期性能 ⑤ RPC R&D ⑥ RPC 生产 ⑦ 性能测试 ⑧ 探测器安装 ⑨ 宇宙线联调

典型的磁谱仪子探测器的功能 子探测器 测量参数 功能 无损探测无损探测 对撞点  子计数器  位置  鉴别 强子量能器 强子鉴别 电磁量能器 切仑科夫计数器 飞行时间计数器 线圈和磁铁 中心漂移室 顶点探测器 衰变顶点位置

MUON 计数器目的和作用 测量  子的方向和位置，鉴别  子和其它种类粒 子的探测器。  子在物质中不会产生强子簇射，很少产 生电磁簇射，主要产生电离过程（ dE/dx ）， 因而穿透能力强，通常把它放在最外层。 取样探测器 + 吸收体 取样探测器与强子探测器的相似。 吸收体常用铁块，与磁铁轭铁合二为一。

MUON 计数器常用的探测器 容易大面积制作，价格低廉，空间和时间分辨要 求不高。 正比计数管 塑料流光管（ PST ） 阴极条室（ CSC ） 漂移管（ MDT ） 阻性板计数器（ RPC ） 小间隙室（ TGC ） 。。。。。

正比计数管 使用的比较早 传统探测器 技术成熟 多采用圆形或方形金属管，中间拉阳极丝 正比工作模式 阳极丝读出信号，一个方向利用丝的位置定位，为之 精度取决于计数管的尺寸，另一个方向多采用电荷分 配法定位 位置分辩不是很好，一般为几个厘米 占用的空间大 MarkIII,BESI 价格低、速度慢，适合低计数率谱仪

塑料流光管 技术成熟，制作比较容易 位置分辩比正比管好，占用的空间也小于正比管 采用塑料壳体，里面分割成多个槽，利用石墨层作为阴极，拉阳极丝 流光工作模式 可采用两维读出，一个方向在阳极丝取信号，另一个方向可以利用感应 条读出 ALEPH ， BaBar 价格适中，位置分辩、速度也比较适中，可用于计数率不是很高的谱仪

阴极条室（ CSC ） 特点 高空间分辨： 100μm, 条间距 w<10mm 高计数率性能： 200Hz/cm 2 精确测量方位角 φ(Pt):150 ～ 400 μm 电子学依赖：高 寻迹算法依赖：高 制造工艺：高 目前应用实验： CMS μ 端盖， ATLAS 放大、成形、甄别一体 (ASD chip)

漂移管（ DT/MDT ） 特点 高空间分辨： 150μm 高计数率性能： 500Hz/cm 2 精确测量横动量 Δpt/pt =2–10% 电子学依赖：高 制造工艺：高 寻迹算法依赖：高 目前应用实验： CMS ， ATLAS

阻性板室（ RPC/MRPC ） 特点 空间分辨： 10~40mm, 条间距 w>10mm 时间分辨： SRPC<1.5ns, MRPC<100ps 电子学依赖：一般（ MRPC 要求高） 寻迹算法依赖：一般 每道成本：低（ MRPC 要求高） 主要问题：噪声，老化，性能下降 目前应用实验： CMS ， ATLAS ， BESIII

小间隙室（ TGC ） 特点 探测效率： >99% 机械变形不敏感，适用大面积 高计数率性能： 500Hz/cm2 电子学依赖：高 寻迹算法依赖：一般 目前应用实验： ATLAS

BESI 的 MUON 探测器

Φ 向丝位置定位， Z 向电荷分配法定位： Z=AQ1/(Q1+BQ2)+C ，电子学读出采用取样保 持电路，采用 BADC 作 A/D 转换 主要参数： 计数器组件数 189 正比管总数 1512 组件管长 4212 （一层）、 4638 （二、三层） 阳极丝直径 48μm 阳极丝电阻率 727Ω/m 工作气体 Ar(90%)+CH4(10%) 立体角覆盖率 67%×4π 轴向分辨率 σ z=5cm 径向分辨率 σ xy=3cm

BESIII MUON 探测器的物理需求 首先在物理方面做 了一些计算和蒙特 卡罗模拟，得到了 Ds 和 Tau 衰变产生 的 Muon 的动量分布， 确定了我们所关心 的 Muon 的动量范围， 为我们设计 Muon 探 测器提供里理论依 据

探测器的选择 我们对比了流光管和阻性板计数器（ RPC ） 的优缺点，参考了 BELLE 、 BaBar 和 L3 等几 个大探测器的教训和经验，最终选择了 RPC 作为 BESIII 的 Muon 探测器。

RPC 的优势 RPC 有如下特点： 结构简单，坚固，而 且制作探测器的主要 材料电木板或玻璃为 商用材料，成本低。 时间和空间性能优越： 探测效率高，死区小。 信号读出方式灵活。 占用空间小。 技术成熟。 抗辐照性能好。 便于管理维护。 信号大 RPC 的寿命长。

蒙特卡罗模拟 用 Geant 3.21 软件包，针对 BESIII 的具体情况进行了模 拟计算，得到了在经过不同 厚度的铁之后不同动量的 μ 的效率和 π 对的污染情况、 μ 子位置分布的 σ 与其穿过的 铁的厚度的关系、一、二维 读出时不同动量的 μ 子的探 测效率随动量的变化情况对 比以及一、二维读出时 π 对 μ 的污染随动量的变化情况对 比。

总体结构（ 1 ） 桶部： 9 层探测器，最里 面一层为探测器，再往外 面都是吸收铁和 RPC 夹 层结构，每两层铁之间留 4cm 缝隙，在缝隙中排列 RPC 。从内到外吸收铁 的厚度为 3-8cm ，共 8 层 吸收铁，每层铁的厚度分 别为 3 、 3 、 3 、 4 、 4 、 8 、 8 、 8cm ，总的吸收铁厚 度约 41cm ，最外层还有 一层 15cm 厚的保护铁， 读出条的宽度为 3-6cm 。

总体结构（ 2 ） 端盖：由于受谱仪整体尺 寸的限制，端盖部分只能 采用 8 层吸收铁和 8 层 RPC 的夹层结构 ，这样端盖部 分探测器将比桶部减少一 层 RPC 。从内到外每层吸 收铁的厚度分别为 4 、 4 、 3 、 3 、 3 、 5 、 8 、 8cm 。铁的 总厚度为 38 厘米，最外面 有一层 5 厘米的铁作为保护 层。每两层铁之间和桶部 一样，留 4cm 缝隙，在缝 隙中排列 RPC 的排列方式 。

RPC 结构 由两层两毫米厚的平行电 木板组成。两块板之间由 两毫米厚的绝缘材料做成 的圆形垫片分开。两板之 间的间隙里通过一定比例 的混合气体作为工作气体。 周围由绝缘材料做成的垫 片密封。两层吸收铁之间 的两层 RPC 和一层读出 条组成的夹层结构我们把 它叫做一个探测器超层。

高压系统 高压系统将采用在阻性板的阳极和阴极分别加正负高 压的方法，总电压约为 8000 伏左右。 一个铝盒中的所有 RPC 公用一组（一正一负）高压， 高压分配板装在单独的盒内，安装在铝盒的一端。高 压分配板上加保护电阻，利用保护电阻限制漏电流。

气体系统 我们参考 BELLE 的气体系统设计 了 BESIII 子鉴别 器的供气系统配 置图。每种气体 有两个大气罐， 当其中一个气罐 中的气用完时， 系统会自动切换 到另一个气罐， 以保证供气的连 续性。

探测器预期性能 建成后的子鉴别器桶部和 端盖两部分总的覆盖立体 角将达到 0.89 ，桶部最内 层可达 0.75 ，最外层可达 0.60 。 每层只有一个方向读出， 两层配合作 Y 方向和 Z 方 向定位。可探测到的子的 最低动量可达 0.35GeV ， 动量大于 0.4GeV 的子在 不同入射角度的探测效率 均可达到 95 ％。

我们的 RPC 具有独特的工艺，不淋油，性能优越 Babar w/o oil IHEP w/o oil 淋油工艺造成大量质量 与寿命问题

μ 子鉴别器的 R&D （ 1 ）

μ 子鉴别器的 R&D （ 2 ）

μ 子鉴别器的 R&D （ 3 ）

中子辐照实验 共照射了 10 万拉德的中 子，结果显 示，对 RPC 的性能没有 明显的影响

束流辐照实验 目前辐照实验已经结束，试验总共做了近两 个月，利用束流时间 100 多小时，辐照后的效 率没有明显变化，单计数率坪明显变长

长期稳定性试验 现在的模型室，从 2003 —— 2005 年， 它随时间的增长其 性能不是变坏，而 是越来越好。漏电 流和计数率都降到 了原来的十分之一 以下；效率随时间 的增长没有多大变 化，都能保证在 97 % 左右。

阻性板阻值对 RPC 性能的影响  通过对 ——  cm 的多种 不同阻值制作的模 型室进行了长时间 的测量，得到了很 好的测量结果，为 我们选择阻性板阻 值范围提供了进一 步的依据

温度对 RPC 性能的影响  在不同温度下对 RPC 进 行了长时间的测量，结 果显示，温度的影响很 大，这主要是因为温度 会从两个方面影响 RPC ， 一方面是阻性板的阻值， 另一方面是气体的放电 过程  而湿度对 RPC 的性能基 本上没有什么影响

Mass production ---- Bare chamber

Mass production ---- Bare chamber test

Mass production ---- Bare chamber test result ---- efficiency Training time : 1 - 3days; endcap 320RPCs, barrel 590RPCs Endcap 7.5Kv Min. 83.5% Max. 98.5% Aver.93.46% Barrel 7.5Kv Min. 85.6% Max % Aver.95.39% Endcap 8.0Kv Min % Max. 98.7% Aver.94.25% Barrel 8.0Kv Min % Max. 99.2% Aver.96.4%

Mass production ---- Bare chamber test result ---- counting rate Training time : 1 - 3days; endcap 320RPCs, barrel 590RPCs Endcap 7.5Kv Min Max Aver Barrel 7.5Kv Min Max Aver Endcap 8.0Kv Min Max Aver Barrel 8.0Kv Min Max Aver.0.130

Mass production ---- Bare chamber test result ---- dark current Training time : 1 - 3days; endcap 320RPCs, barrel 590RPCs Endcap 7.5Kv Aver Barrel 7.5Kv Aver Endcap 8.0Kv Aver Barrel 8.0Kv Aver

Mass production ---- Resistivity 0.8—5.4x10 12

Mass production ---- Assemble Module

Test Result after installation - endcap Total efficiency and current of 64 endcap RPC modules after installation. Test temperature: ℃ Mean 0.95 Mean 1.8μA/m2

… barrel Module size: 3800mm*1640mm Strip length: 3800mm Strip width: 33mm Average strip efficiency: 0.99 Spatial resolution: 14.2mm

… after assembling - barrel Total efficiency and current distribution of 72 barrel modules: Average efficiency higher than that of endcap modules, while dark current smaller than endcap modules. Test temperature: ℃ Mean 0.98 Mean 1.1μA/m 2 After installation have not test

Installation

桶部击中直方图 分层填 层 0/2/4/6/8: Z 向读出 每层 : 扇区 0~ 扇区 7 正常形状 / 宇宙线

分区填 所有扇区 : 层 0~ 层 7 正常形状 / 宇宙线 层0层0 层1层1 层2层2 层3层3 层4层4 层5层5 层6层6 层7层7

分层填 层 1/3/5/7/8: Y 向读出 每层 : 扇区 0~ 扇区 3 正常形状 / 宇宙线 层 1- 扇区 0 层 1- 扇区 1 层 1- 扇区 2 层 1- 扇区 Y X East View 23 01

匹配距离分布 物理含义 : MUC 重建径迹或外推径迹，与 MUC 最内层着火位置 的距离 关键特征 : 高斯分布, 可能在 0 处有很高的突起 检查 : 均值 < 5(mm), 方差 < 20(mm) 注意 : 如果不是高斯分布或者出现长尾巴, 则探测器或软件可能出现问题。 ΔΦ 和 Δθ 散点图 ( 对 双 mu 事例 ) 物理含义 : 重建出的双 mu 径迹动量的 Φ 和 θ 角的偏差的分布 关键特征 : 密集的圆点和 可能 沿 ΔΦ=0 或 Δθ= 0 的尾巴, 检查 : 圆点半径 < 0.2(10°) 注意 : 如果出现长尾巴，或者在非零区域出现黑点集中， 或在圆内出现空白，则探测器或软件可能出现问题 。

刻度信息 径迹信息 每个盒的效率和噪声比率 物理含义 : MUC 所有探测模块（铝盒）的效率和噪声比率 关键特征 : 低的噪声比率水平和高的效率水平 检查 : 噪声比率 < 20% 效率水平 > 95% 注意 : 如果噪声比率上升或者效率水平下降，则探测器 很可能出现问题 穿越层数分布 物理含义 : 重建径迹在 MUC 中的穿越层数 关键特征 : 对某一动量范围的大多径迹将穿越某一层数 检查 : 穿越层数 > 4, 峰值在 9 ( 对宇宙线 ) 注意 : 如果穿越层数 9, 可能探测器或软件出现问题。

High voltage selection Plateau-start HV < active HV < plateau-end HV 7200 V ≤ HV ≤ 8000 V Barrel average eff BR Seg5 Lay6 BR Seg3 Lay7

Efficiency requirement Active threshold: to maximize efficiency Eff Threshold

经过近期的实验和数据分析， BESIII MUON 探测器的平均效率达到 >98% ，噪 声计数只有真正信号的 1/10 左右，信噪 比很好，无论是效率、信噪比、位置分 辨等，都远好于设计指标，更多的分析 还需要等真正的物理数据。 Summary