唐泽波，高能核物理导论 1 09/24/2009 唐泽波中国科学技术大学近代物理系飞行时间计数器 (Time-of-Flight, TOF) 的介绍和设计

唐泽波，高能核物理导论 109/24/2009

唐泽波中国科学技术大学近代物理系

飞行时间计数器 (Time-of-Flight, TOF) 的介绍和设计


内容

为什么需要 TOF TOF 的基本原理基于塑料闪烁体的 TOF (BESIII 端盖 TOF) 基于多气隙电阻板室的 TOF (STAR 桶部 TOF)


高能物理中粒子鉴别手段

寻找同一动量 p 下，不同质量 m 造成的不同效应能量 E ：

电磁量能器强子量能器

=p/m: 电离能损 (ionization energy loss dE/dx)


dE/dx vs.

=p/m

Low mass

Higher mass


dE/dx vs. p

GeV/cm

Specific Energy Loss in STAR TPCSpecific Energy Loss in STAR TPC

e

K

p

200 GeV Au+AuResolution ~8%

With the STAR TPC

K identification: p ~ 0.7 GeV/c

Proton identification: p ~ 1.1 GeV/c


高能物理中粒子鉴别手段 =E/m=√(p2+m2) /m

穿越辐射 (Transition radiation)

mEE

hzE p

/

32

带电荷 ze 的粒子在穿越真空与某物质的边界时辐射的能量为

主要用来分辨 0.5 GeV/c – 100 GeV/c 的电子和


高能物理中粒子鉴别手段 =p/√(p2+m2)

切伦科夫辐射 (Cherenkov radiation)

ntc

ntc 1cos c

ALICE Ring Imaging Cherenkov Detector


高能物理中粒子鉴别手段 =p/√(p2+m2)

飞行时间计数器 (Time-of-Flight)

TOF

s

t

1/ = t/s=√(p2+m2)/p


Timekeeping device


不同质量粒子产生的飞行时间差

2

2222

22

21

2

1

///

p

Lm

pmp

Lmm

pmp

L

m

t

ppmLpLELt

pm

ps327c1.52

)14.049.0(2

2p

)mm(Lt

2

22

2

22K

当 L=2 米， p=1.5 GeV/c 时，和 K 的飞行时间差为：

1 2

1-95%2 分辨要求时间分辨好于 ~100 ps


Mass resolution from TOF

=0: /K 1.7 GeV/c, p/(+K) 2.6 GeV/c, d 4GeV/c=1: /K 1.9 GeV/c, p/(+K) 3.1 GeV/c, d 4.7 GeV/c

from STAR TOF proposal


高能物理常用的飞行时间计数器

闪烁探测器 (BESIII 端盖飞行时间计数器为例 )

电阻板室 (STAR 桶部飞行时间计数器为例 )


BESIII 端盖 TOF

BESIII TOF = 塑料闪烁体 + 光电倍增管


光电倍增管的要求

有效面积大量子效率高增益高抗磁场性能好时间性能好


Hamamatsu R5924

频谱响应曲线

外观尺寸与管脚 (mm)

磁场中增益曲线


分压电路的设计

差分输出弥补 1T 下增益偏小的问题

吸收电容和引线电感引起的阻尼震荡

在高压线入口处加 RC 滤波电路


印刷电路板设计


电流稳定性和发热

工作电压对其内部温度的影响


信号输出

Pulse rise time <1.5ns and width of less 4.0ns when the tube operated at2.0KV.


R5924 性能测试

渡越时间涨落 (TTS) 增益随高压的变化增益随磁场强度的变化


塑料闪烁体的选择

BC-404 BC-408 EJ-204

Light Output, % Anthracene 68 64 68

Rise Time, ns 0.7 0.9 0.7

Decay Time, ns 1.8 2.1 1.8

Pulse Width, FWHM, ns 2.2 ~2.5 2.2

Light Attenuation Length, cm 140 210 160

Wavelength of Max. Emission, nm 408 425 408

Company BICRON BICRON EJEN


测量结果比较

EJ204~BC404 < BC408


不同包装材料

铝箔 Tyvek 纸 ESR-M204 反射膜


测试结果

The time resolution of the detectors with different wrapping are almost the same but the amplitude of the detector wrapped with ESR-M204 is about 20% larger.


BESIII 端盖 TOF 的本征时间分辨

Time resolution of detector with EJ204 wrapped with ESR-M204


BESIII 端盖 TOF 总结

选用了细栅网型光电倍增管 R5924 设计了合适的分压电路选用了性价比高的塑料闪烁体 EJ204 选用了比较好的包装材料 ESR-M204 本征时间分辨好于 80ps 1m 的地方，对 1 GeV/c /K 达到 2 分辨


基于多气隙电阻板室 (MRPC) 的 STAR 桶部飞行时间计数器


STAR 探测器


Requirements1) Good Time resolution The total resolution after all corrections must be <100 ps, for a start time resolution of 50 ps, 30 ps contribution from ∼ slew correction, pure stop resolution of less than 80 ps.∼

2) High Granularity （ dN/dy~1000 in central Au+Au) The detector segmentation must be such that the occupancy per channel is < 10%.

3) The system must be able to operate at particle fluxes up to 200 Hz/cm∼ 2.

4) The system must be able to operate inside the STAR magnetic field.

5) The system must fit into the integration envelope for the present CTB .

6) The system must be inexpensive


MRPC 基本原理– 由 RPC 到 MRPC

缩小气隙宽度以提高时间分辨率

阻止雪崩发展以避免出现流光


The Multi-Gap Resistive Plate Chamber

E. Gorini et al. Nucl. Instr. Meth. A 396(1997), 93

Uniform High Electric Field ~11kV/mm high drift velocity ~220m/ns high Townsend coefficient.

Operate in Avalanche mode Gas: Freon (electron affinity ) iso-butane (UV photon absorption) SF6 (streamer suppressing) Heavy gas: 9-10 clusters/mm for MIP

Small gap: 0.2-0.3 mm, high resolution

Multi-gaps: high efficiency

MRPC is a good choiceFirst suggested by C. Williams et al for ALICE TOF


MRPC R&D

a) Single pad MRPC 4×4 cm2 5×0.22mm gas gap

b) 12-pads MRPC 7×20cm2

6×0.25mm gas gaps pad size: 3.1×3 cm2

c) 6-pads 7×21cm2

10×0.25mm gas gaps pad size: 6×3.1cm2


Beam Test Results

Efficiency: Time resolution: >~95% (6 gaps) ~70ps (5 gaps)

~99% (2×5 gaps) ~60ps (6 gaps)

~50ps (2×5 gaps)

Counting rates range : < 500Hz/cm2 (with normal float glas

s)

Cheng Li et al., NST, V13N1

Single pad, 5 gaps


A prototype at STAR (2002+)

Covers 6 in azimuth and 1 in pseudo-rapidity,at radius ~ 2.2 m

1/120 of total coverage Module: 20×6 cmGap ： 6×0.22 mmPad ： 3.15cm×6.1cmGas ： 95% C2H2F4 +5% Iso-C4H10

24 out of 28 modules made in USTC, China


Timing Resolution before Calibration

Resolution = 124 psCalibration is necessary


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唐泽波， 高能核物理导论 1 09/24/2009 唐泽波 中国科学技术大学近代物理系 飞行时间计数器 (Time-of-Flight, TOF) 的介绍和设计

唐泽波，高能核物理导论 1 09/24/2009 唐泽波中国科学技术大学近代物理系飞行时间计数器 (Time-of-Flight, TOF) 的介绍和设计