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

2. 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)
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唐泽波， 高能核物理导论

3. 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： bg=p/m: 电磁量能器 强子量能器
电离能损 (ionization energy loss dE/dx)
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4. dE/dx vs. bg
Higher mass
Low mass
bg=p/m
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5. dE/dx vs. p p e Specific Energy Loss in STAR TPC With the STAR TPC
GeV/cm
With the STAR TPC
K p identification:
p ~ 0.7 GeV/c
Proton identification:
p ~ 1.1 GeV/c e p K
200 GeV Au+Au
Resolution ~8%
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6. 高能物理中粒子鉴别手段 g=E/m=√(p2+m2) /m 穿越辐射 (Transition radiation)
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p
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7. 高能物理中粒子鉴别手段 b=p/√(p2+m2) 切伦科夫辐射 (Cherenkov radiation)
ALICE Ring Imaging Cherenkov Detector
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8. 高能物理中粒子鉴别手段 b=p/√(p2+m2) 飞行时间计数器 (Time-of-Flight) 1/b = t/s=√(p2+m2)/p
TOF t s
1/b = t/s=√(p2+m2)/p
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9. Timekeeping device
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10. 不同质量粒子产生的飞行时间差 当L=2 米， p=1.5 GeV/c时，p和K的飞行时间差为： 2s分辨要求时间分辨好于~100 ps
1-95%
2s分辨要求时间分辨好于~100 ps 1s 2s
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11. Mass resolution from TOF
from STAR TOF proposal
h=0:
p/K GeV/c, p/(p+K) GeV/c, d 4GeV/c
h=1:
p/K GeV/c, p/(p+K) GeV/c, d GeV/c
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12. 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)
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13. BESIII 端盖TOF
BESIII TOF = 塑料闪烁体 + 光电倍增管
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14. 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
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15. Hamamatsu R5924
磁场中增益曲线
频谱响应曲线
外观尺寸与管脚(mm)
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16. 分压电路的设计 在高压线入口处加RC滤波电路 吸收电容和引线电感引起的阻尼震荡 差分输出弥补1T下增益偏小的问题 09/24/2009
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17. 印刷电路板设计
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18. 电流稳定性和发热
工作电压对其内部温度的影响
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19. 信号输出
Pulse rise time <1.5ns and width of less 4.0ns when the tube operated at2.0KV.
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20. 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
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21. 塑料闪烁体的选择 BC-404 BC-408 EJ-204 Light Output, % Anthracene 68 64
Rise Time, ns
0.7
0.9
Decay Time, ns
1.8
2.1
Pulse Width, FWHM, ns
2.2
~2.5
Light Attenuation Length, cm
140
210
160
Wavelength of Max. Emission, nm
408
425
Company
BICRON
EJEN
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22. 测量结果比较
EJ204~BC404 < BC408
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23. 不同包装材料 铝箔
Tyvek 纸
ESR-M204 反射膜
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24. 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.
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25. Time resolution of detector with EJ204 wrapped with ESR-M204
BESIII 端盖TOF的本征时间分辨
Time resolution of detector with EJ204 wrapped with ESR-M204
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26. 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 p/K 达到2s分辨
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27. 基于多气隙电阻板室(MRPC)的STAR 桶部飞行时间计数器
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28. STAR 探测器
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29. Requirements 1) 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/cm2.
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
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30. 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 09/24/2009
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31. The Multi-Gap Resistive Plate Chamber
MRPC is a good choice
First suggested by C. Williams et al for ALICE TOF
Uniform High Electric Field
~11kV/mm
high drift velocity ~220m/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: mm, high resolution
Multi-gaps: high efficiency
E. Gorini et al. Nucl. Instr. Meth. A 396(1997), 93
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32. MRPC R&D Single pad MRPC b) 12-pads MRPC c) 6-pads 5×0.22mm gas gap
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
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33. Beam Test Results Efficiency: Time resolution:
Cheng Li et al., NST, V13N1
Single pad, 5 gaps
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 glass)
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34. A prototype at STAR (2002+) 24 out of 28 modules made in USTC, China
Covers 6 in azimuth and 1 in pseudo-rapidity,at radius ~ 2.2 m
1/120 of total coverage
Module: 20×6 cm
Gap：6×0.22 mm
Pad：3.15cm×6.1cm
Gas：95% C2H2F4
+5% Iso-C4H10
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35. Timing Resolution before Calibration
Resolution = 124 ps
Calibration is necessary
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36. 09/24/2009
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