DOC《电磁量能器》

有更小的Molière 半径,对双γ的分辨有利;

晶体量能器处于1特斯拉的均匀磁场中,采用硅光二极管读出的费用比采用高抗磁光电倍增管[7]读出的费用便宜约4倍, 合适选择是采用硅光二极管读出.由于CsI(Tl)晶体有更适合匹配硅光二极管的发射光谱[6],采用硅光二极管读出,CsI(Tl)晶体比NaI(Tl)晶体有高的信号脉冲输出(1.4倍).另外,NaI(Tl)晶体的强潮解性,会使晶体的封装,结构和运行环境带来许多困难. 表4.7-1 无机闪烁晶体的性能 晶体 NaI(Tl) CsI(Tl) BGO 比重(g/M3) 3.67 4.51 7.13 辐射长度(M) 2.59 1.86 1.12 Molière 半径(cm) 4.8 3.8 2.3 能量损失(Mev/cm) 4.8 5.6 9.2 核作用长度(M) 41.4

37 21.8 折射系数(480nm) 1.85 1.79 2.15 发射峰波长(nm)

410 560

480 光输出

100 45(PMT) 140(PD)

15 温度系数(%/0C) ~0 0.3 -1.6 发光衰减时间(ns)

230 1000

300 潮解性 强微不参考价格($/M3)

2 2

7 晶体径向尺寸和横向截面尺寸的选择 簇射能量的泄漏主要与晶体的长度选择有关,晶体之间的能量损失由封装晶体的反射材料的选材控制,影响稍小.图4.7-5显示了CsI(Tl)晶体的长度对能量分辨的影响,对于24cm和28cm的晶体长度,能量分辨分别为3.2% 和2.3%,接近增加2cm改善能量分辨0.5%.BESIII设计中选用28 cm(15Xo)长的CsI(Tl)晶体. 图4.7-5 GEANT模拟CsI(Tl)晶体长度与能量分辨的关系,三条曲线分别为积分单元,单元和全部有能量沉积的单元. 电磁簇射量能器的位置分辨主要由晶体的横截面大小和量能器设计的积分晶体数目决定.电磁簇射横截面的轮廓尺寸用Molière半径RM表示,对于CsI(Tl)晶体,其Molière半径RM~3.8cm.合适的积分晶体数目和小截面尺寸的CsI(Tl)晶体对位置分辨有好处,但是若远小于电磁簇射的RM,一个电磁簇射将分配到太多的晶体上,由于能量泄漏于晶体之间的包装材料,和太多电子学通道数导致电子学噪声增加,能量分辨率会变差. 比较晶体前端横截面尺寸分别为4*4 cm

2、4.5*4.5 cm

2、5*5 cm2的能量分辨(图4.7-6)和位置分辨(图4.7-7),晶体横截面尺寸较大的能量分辨好,对于1GeV的光子,能量分辨分别为2.29%、2.23% 和2.07%.但晶体横截面尺寸越大,量能器的位置分辨变差, 对于1GeV的光子分别为4.8mm、5.5mm和6mm.图4.7-7的模拟基于7*7的晶体阵列,采用找重心的方法测量入射光子的方向. 比较晶体前端横截面尺寸分别为4*4 cm

2、4.5*4.5 cm

2、5*5 cm2的探测效率(图4.7-8)没有明显的差别.图4.7-8中n(0和n(1,表示判定若累加晶体的沉积能量时,分别为至少有1块晶体和至少有2块晶体超过1MeV. 比较晶体前端横截面尺寸分别为4*4 cm

2、4.5*4.5 cm

2、5*5 cm2的电子学通道数,当采用前端横截面尺寸为5*5 cm2的晶体时,桶部量能器的电子学通道数(晶体数)为5380路,采用前端横截面尺分别为4*4 cm

2、4.5*4.5 cm2的晶体时,电子学通道数分别增加约22%和45%. 通过优化,比较模拟的结果,BESIII电磁量能器的CsI(Tl)晶体典型尺寸采用:5*5 cm2(前端)~6.5*6.5 cm2(后端),长为28 cm.采用前端截面5*5 cm2的CsI(Tl)时,量能器天顶处单块晶体覆盖张角最大,3.04°.对于接近BESIII能区最大能量1.5GeV(0衰变的两(的最小夹角(10°),至少跨过3.3块晶体,即使加上光子位置分辨的模糊,量能器也能分辨BESIII能区内的(0产生的双光子. 图4.7-6 图4.7-7 图4.7-6和图4.7-7分别为 GEANT模拟CsI(Tl)晶体前端横向截面尺寸为4*4cm2,4.5*4.5cm2,5*5cm2的能量分辨和角分辨随入射能量的分布.模拟考虑了射线穿过量能器前端的漂移室、飞行时间探测器和量能器电子学的等效噪声能量为0.5MeV. 图4.7-8为GEANT模拟CsI(Tl)晶体前端横向截面尺4*4cm2,4.5*4.5cm2,5*5cm2的探测效率随入射能量的分布. 晶体的排列方向和晶体之间的间隙(物质间隙) 由于e+ e_ 的对撞点在向分布为1.5cm(标准偏差),为避免光子直接穿过晶体之间的间隙,量能器的晶体排列对应对撞点在(方向和(方向有适当的偏角,同时晶体之间的间隙尽量小.图4.7-9显示了晶体径向与入射光子的方向有不同夹角的模拟扫描晶体阵列的实验,不同角度入射的光子扫描在中心晶体的正中位置时,总沉积能量和能量分辨相近,但光子扫描到中心晶体的边沿位置时,总沉积能量和能量分辨相差较大,晶体径向与入射光子的方向为零度时能量分辨最差.考虑到机械的设计和安排,晶体的排列在(方向指向中心线有1.5°的偏移;