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BEPCII 亮度实时监测

热烈祝贺核电子学与探测器联合实验室成立 3 周年

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yxyx f

ICINfNscmL

4)( 12

( ) ( )

( )

( )

SB SB

SB

SB

dn dt L

dn dtL

式中流强 I 以安培为单位， C=3.11×1036 。若运行时 I+≈ I- ，则亮度和流强I 的平方成正比

单轫致辐射 Bhabha :e++ e-→e+ +e- +γ双轫致辐射 :e++e-→e++e-+ 2γ小角度 Bhabha 散射 :e++e- →e++e-

亮度 L和亮度监测

一， 引言

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为什么选择单轫致 Bhabha

e e e e

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事件集中在入射束方向的约 1 毫弧度的前向。在离对撞点 3 米处束斑若干毫米计算率高可实现 Bunch-by –bunch 的实时监测

优点：

缺点：能量连续分布的光子，难以对系统进行标定

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布局和方案：

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• 按照得到的监测器各部分尺寸，利用 GEANT4 来模拟 ( 模拟中两个光电倍增管

• 都使用的是 R7400U-06) 研究了亮度监测的整个过程，包括：• 单轫致辐射产生的光子在转换体中的电磁簇射；• 次级正负电子在熔融石英中产生契仑柯夫光的过程；• 契仑柯夫光在熔融石英和光导中的传播；• 契仑柯夫光的收集效率；• 在光电倍增管的光阴极产生的光电子的个数。

• 在这里利用 BBBREM 产生了 100000 个事例，这些事例产生的单轫致

辐射光子作为入射粒子来进行模拟。

R&D

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接受度的研究

由图可知两种不同情况下能通过准直孔的辐射光子占总光子数的比值分别为 92.9%和 82.3% 。

单轫致辐射光子投射在钨准直器 xy 平面的位置分布

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光电子产额和物理接受度：

从图中可以看出，在 100000 个事例中，两个光电倍增管收集到的光电子数大于等于 1 的事例数分别为 55083 和 54964

考虑到束团的大小对对撞点的影响，模拟得到的最终在 PMT 的光阴极上收集到的光电子的谱如图所示

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二， 实验标定：

1 电子束对系统的时间、幅度特性的研究

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400MeV 电子的光电子谱（上）和 ADC 谱（下）

能量分辩（光电子数分辨）很差是可用理解的

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TDC 谱 时间分辩～ 200ps

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折合到光阴极的平均光电子数分别为 7.6±5.9 和 6.1±4.5

台基 ADC实验安排

2 宇宙线刻度

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时间分辨为 0.25ns

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Energy(MeV)

Number of Photoelectron Calibration factor

Simulation e- beam test

400 60.8±38.1 28.8±17.5 0.474±0.413

500 83.1±46.2 33.5±20.7 0.403±0.335

600 97.1±53.0 38.0±20.2 0.391±0.298

实验对模拟的光电子产额的标定因子

比较电子入射时光电倍增管的光阴极上收集到的光电子数模拟的结果和实验所得到的结果，可以得到平均的标定因子为 0.423±0.203

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BEPCII 亮度监测器第一阶段的运行和初步结果

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亮度监测器运行模式

bunch by bunch 模式 Bunch by bunch 模式下，对光电倍增管输出的亮度信号进行一系列处理，最终在计算机上显示每

一个束团的亮度信息。它由三部分组成：前端信号处理电路对光电倍增管输出信号放大甄别成形；亮度监测插件存储每个束团的亮度数据；系统监测控制软件读取亮度监测插件中的亮度数据，绘制成直方图显示，并控制系统运行

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初步结果（逐束团）

单束团对撞时在软件上显示的亮度监测器记录的信号 ( 包括亮度信号和背景信号 )

两对相距 8ns 的束团通过对撞点 ( 不对撞 ) 在亮度监测器上产生的时间间隔 8ns 的背景信号两对相距 8ns 的束团通过对撞点 ( 对撞 ) 在亮

度监测器上产生的时间间隔 8ns 的信号

从图中可以看出，监测器系统给出的信号与每对束团的在亮度监测器中产生的信号在时序上是一一对应的

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束流对撞优化

从图可以看出亮度监测器的计数的最大值分别对应 x=-0.7mm 和 y=-0.02mm 。

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BEPCII 亮度监测器第二阶段的运行和初步结果

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亮度信号在监测器上产生的信号

单束团对撞时在软件上显示的亮度监测器记录的信号 ( 包括亮度信号和背景信号 ) 50 个束团对撞时在软件上显示的亮度监测

器记录的信号 ( 包括亮度信号和背景信号 )

相对延迟需要调整合适

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相对亮度 (负电子端 )

单束团对撞时亮度监测器记录的信号随阈值的变化 ( 包括亮度信号和背景信号 )

单束团不对撞时亮度监测器记录的背景信号随阈值的变化

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相对亮度 (负电子端 )

亮度计数与电流乘积的关系

yxyx f

ICINfNscmL

4)( 12

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相对亮度误差的计算

tnbn 实验测量的量： ， ， ， 。分别表示记录的对撞时、不对

撞的计数以及它们对应的更新环数。

1 、对计数率进行丢失计数率的修正：

2 、计数的统计误差：

3 、

b6(1 ), 1.25 10 /

2

tt

RR

nn n f s

f

6 6

2 210 10( )n n n n

6 6

2 2 2 210 10( ) ( / )

b b

b b bn n b

b b

n n n

610 / 0.8b b

sbR

n n n nn

f

62 21 1 10

0.8 0.8bsb n n bn n

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相对亮度误差的计算 ( 以 I+=5.11mA,I-=5.02mA数据为例）

阈 (mV)

100 200 300 400 500 600 800 1000 1200 1400

nT25991 19946 16245 13535 11281 9226 6036 3305 1509 649

nν26261 20105 16351 13608 11332 9260 6051 3309 1510 649

102.5 89.7 80.9 73.8 67.3 60.9 49.2 36.4 24.6 16.1

857 575 420 306 250 192 120 58 17.5 0

18.5 15.2 13.0 11.1 10.0 8.8 6.9 4.8 2.6 0

31775 24413 19914 16628 13853 11335 7414 4064 1866 811

130.2 113.7 102.4 93.3 85.0 77.0 62.1 45.9 24.7 20.1

0.0041 0.0047 0.0051 0.0056 0.0061 0.0068 0.0084 0.0113 0.0132 0.026

n

bnbn

sbn

sbsb

sbn

不同阈值的亮度计数和对应的误差

相对亮度误差可达千分之五，甄别阈 400mV,5mA/bunch

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绝对亮度的计算

1、 PMT放大倍数的标定

The type of PMT 03HB1453 06CB2090 06CB2093

06CB2096

AT3186 old03 old06

The mean value of PMT gain(×105)

2.86 6.92 1.88 3.10 3.78 4.57 6.07

The error of PMT gain (×104) 0.035 0.11 0.011 0.050 0.060 0.013 0.032

The sigma of PMT gain (×105)

0.439 1.148 0.334 0.501 0.690 0.721 0.822

The PMT gain and gain spread

表中红色表示负电子端使用的 PMT ，蓝色表示正电子端使用的 PMT

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绝对亮度的计算

2、前端放大电路阈值的标定

2#box 负电子 3#box 正电子

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绝对亮度的计算

3、 PMT光阴极收集的光电子的误差

光电子数 VS误差 ( 线形拟合 )

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绝对亮度的计算

• 根据亮度前端放大器的标定可以知道不同阈值对应的 PMT 的阳极输出的电荷量；• 阳极输出电荷量除以 PMT 的放大倍数就可以得出对应的 PMT 的光阴极收集的光

电子数 Npe ；• 利用模拟的到的 PMT 光阴极收集的光电子谱 ，可以计算出对应于不同的阈

值 (即光阴极收集到的的光电子数 Npe) 时的有效的物理接收度，这样就在乘以单轫致辐射的总截面 (160mb) ，可以得到有效截面 eff ，这样就可以得到绝对亮度，L=Nsb/ eff 。

• 利用模拟得到的 PMT 光阴极收集的光电子的误差与光电子的拟合关系曲线可以得到 Npe 对应的 Npe ，这样可以得出对应于 Npe+ Npe 和 Npe- Npe 的有效的物理接收度 effl 和 effh ，那么就可以得到绝对亮度的误差。

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物理接受度－截面－计数率－亮度

( ) ( )

( )

( )

SB SB

SB

SB

dn dt L

dn dtL

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绝对亮度的计算

从图中可以看出，对于不同的阈值和电流，得到的 (亮度 /mA在

误差范围内都是一致的。

不同电流，不同阈值时的亮度

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绝对亮度的计算 ( 同样以 I+=5.11mA,I-=5.02mA数据为例）

阈 (mV)

200 300 400 500 600 800 1000

nT19946 16245 13535 11281 9226 6036 3305

nν20105 16351 13608 11332 9260 6051 3309

nsb24413 19914 16628 13853 11335 7414 4064

L(1029)7.72

+3.66

-2.79

9.06

+5.60

-3.68

10.10

+8.13

-4.56

10.85

+10.89

-5.35

10.95

+13.62

-5.75

10.23

+18.36

-5.99

7.62

+18.65

-4.84

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初步结果：

探测器系统对光电子数固有分辨差，不可避免的带来大的系统误差：

甄别阈 200mV, 单束团对撞电流 5X5mA2, 亮度：

3.7 29 2 12.8(7.7 ) 10L cm s

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谢谢！