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

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) 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

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) 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

dE/dx vs. bg Higher mass Low mass bg=p/m 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

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% 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

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 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

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 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

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 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

Timekeeping device 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

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 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

Mass resolution from TOF from STAR TOF proposal h=0: p/K 1.7 GeV/c, p/(p+K) 2.6 GeV/c, d 4GeV/c h=1: p/K 1.9 GeV/c, p/(p+K) 3.1 GeV/c, d 4.7 GeV/c 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

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) 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

BESIII 端盖TOF BESIII TOF = 塑料闪烁体 + 光电倍增管 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

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 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

Hamamatsu R5924 磁场中增益曲线 频谱响应曲线 外观尺寸与管脚(mm) 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

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 唐泽波， 高能核物理导论

印刷电路板设计 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

电流稳定性和发热 工作电压对其内部温度的影响 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

信号输出 Pulse rise time <1.5ns and width of less 4.0ns when the tube operated at2.0KV. 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

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 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

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 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

测量结果比较 EJ204~BC404 < BC408 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

不同包装材料 铝箔 Tyvek 纸 ESR-M204 反射膜 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

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. 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

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 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

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 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

基于多气隙电阻板室(MRPC)的STAR 桶部飞行时间计数器 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

STAR 探测器 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

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 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

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 唐泽波， 高能核物理导论

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: 0.2-0.3 mm, high resolution Multi-gaps: high efficiency E. Gorini et al. Nucl. Instr. Meth. A 396(1997), 93 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

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 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

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) 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

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 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

Timing Resolution before Calibration Resolution = 124 ps Calibration is necessary 09/24/2009 唐泽波， 高能核物理导论

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