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.

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2 Muon 计数器和 RPC 探测器 张家文 2008 年 7 月 2 日

3 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

4 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

5 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。

6 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 ） 。。。。。

7 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

8 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

9 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)

10 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

11 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

12 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

13 BESI 的 MUON 探测器

14 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

15 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

16 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。

17 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。

18 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。

19 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 。

20 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 。

21 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。

22 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。

23 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。

24 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 ％。

25 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

26 μ 子鉴别器的 R&D （ 1 ）

27 μ 子鉴别器的 R&D （ 2 ）

28 μ 子鉴别器的 R&D （ 3 ）

29 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

30 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

31 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。

32 阻性板阻值对 RPC 性能的影响  通过对 10 10 —— 10 13  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

33 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

34 Mass production ---- Bare chamber

35 Mass production ---- Bare chamber test

36 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. 99.02% Aver.95.39% Endcap 8.0Kv Min. 89.97% Max. 98.7% Aver.94.25% Barrel 8.0Kv Min. 90.38% Max. 99.2% Aver.96.4%

37 Mass production ---- Bare chamber test result ---- counting rate Training time : 1 - 3days; endcap 320RPCs, barrel 590RPCs Endcap 7.5Kv Min. 0.038 Max. 0.598 Aver.0.210 Barrel 7.5Kv Min. 0.016 Max. 0.599 Aver.0.095 Endcap 8.0Kv Min. 0.043 Max. 0.960 Aver.0.255 Barrel 8.0Kv Min. 0.022 Max. 0.872 Aver.0.130

38 Mass production ---- Bare chamber test result ---- dark current Training time : 1 - 3days; endcap 320RPCs, barrel 590RPCs Endcap 7.5Kv Aver. 3.47 Barrel 7.5Kv Aver. 1.605 Endcap 8.0Kv Aver. 4.07 Barrel 8.0Kv Aver. 2.415

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

40 Mass production ---- Assemble Module

41 Test Result after installation - endcap Total efficiency and current of 64 endcap RPC modules after installation. Test temperature: 20-22 ℃ Mean 0.95 Mean 1.8μA/m2

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

43 … 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: 22-25 ℃ Mean 0.98 Mean 1.1μA/m 2 After installation have not test

44 Installation

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47 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

48 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

49 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 3 01 3 2 Y X East View 23 01

50 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 。

51 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。

52 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

53 Efficiency requirement Active threshold: to maximize efficiency Eff Threshold

54 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