飞行时间计数器

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1、北京正负电子对撞机重大改造工程初步设计4.6飞行时间计数器飞行时间计数器置于主漂移室和晶体量能器之间（见图4.6-1），桶部TOF的接收度为0.83，端盖TOF的接收度从0.85到0.95，基本覆盖了主漂移室和量能器的接收度。飞行时间计数器用来测量带电粒子在主漂移室内的飞行时间，主要功能是通过所测量的飞行时间信息，结合主漂移室测得粒子的动量和径迹，从而辨别粒子的种类；同时它也参加第一级触发判选；而且可以利用不同探测器输出信号之间的时间关系来排除宇宙线本底。图4.6-1BESIII总体框图。桶部和端盖TOF都是置于主漂移室和量能器之间，前者将固定于主漂移室上，后者固定到端盖量能器上。飞行时间计数

2、器主要物理目标是粒子鉴别，其能力大小主要由相同动量粒子的飞行时间差和飞行时间计数器的时间分辨率所决定。飞行时间差随飞行时间计数器的内半径的变大而增加；时间分辨率分别由正负电子对撞的起始时间推算精度和粒子打到飞行时间计数器后测量的截止时间的精度决定，其中飞行时间计数器的本征时间分辨率是主要因素。4.6.1TOF时间分辨率分析每层TOF的时间分辨率受多种因素影响，总的时间分辨率可表示为：15北京正负电子对撞机重大改造工程初步设计1),TOF本征时间分辨。TOF本征时间分辨与闪烁体和光电倍增管的性能、参数直接相关，如下面的公式所示[1]：其中，是闪烁体的衰减时间，L是击中位置到光电倍增管的距离，是光

3、电倍增管中光电子的渡越时间涨落，是光电子数。与闪烁体的光产额、厚度、衰减长度、光传输距离和光电倍增管的量子效率都有关：其中，是光波长，是单位厚度闪烁体的光产额，是粒子穿过闪烁体的厚度，闪烁体的衰减长度,是光电倍增管的量子效率函数。根据我们和BELLE的经验，我们希望单层TOF的本征时间分辨率达到80ps（参见后面4.6.4and4.6.5）。2),束团时间不确定性。束团时间的不确定性与加速器储存环中的高频时钟和稳相精度有关。根据BEPCII的设计指标，其高频时钟周期为2ns，稳相精度为1°，所以本征的束团时间误差为５ps。考虑到在读出过程中，时钟信号传输和寄存等会造成时间晃动，我们希望这项误差

4、达到20ps以内。3),束团长度形成的对撞时刻的不确定性。正负电子两个束团都有一定长度，这样它们相撞的准确时刻无法知道。根据BEPCII的设计指标，束团长度为1.5cm，即50ps。两束团相撞可以简化考虑为一个静止、一个运动，相撞发生的几率是两个束团密度的乘积。这样，如果考虑两个束团密度都按高斯分布，其标准偏差将不确定性减少倍,即35ps。4),来源于粒子击中闪烁体的Z向定位的不确定性。在测量飞行时间时，闪烁体中的光传输时间必须要扣除。其精度取决于由MDC径迹重建外推的闪烁体的Z向定位。根据模拟，其精度为几个毫米，考虑到闪烁体折射率为1.5,这项误差约为25ps。5),来源于电子学时间测量。T

5、OF电子学时间测量将使用CERNHPTDC，其设计指标为25ps。6),来源于预期飞行时间不确定性。15北京正负电子对撞机重大改造工程初步设计TOF粒子鉴别能力受测量与预期的粒子飞行时间之差影响。预期的粒子飞行时间的精度取决于径迹长度和动量的精度，即MDC的性能。根据模拟，径迹长度的重建误差为毫米量级。在1Tesla时，MDC动量分辨率为0.6%。所以，我们估计的误差约为30ps。7),来源于电子学阈效应的时间修正过程。T(ns)V(mv)图4.6-2过阈甄别时间测量的修正TOF的时间测量将采用过阈甄别，这样对幅度不同的信号将产生测量误差，所以在刻度重建过程里将利用幅度值进行修正，修正的精度取

6、决于幅度测量的精度和阈值的高低。为提高修正精度并压低本底，我们将采用四阈读出的方法，依次可能为200mV、150mV、100mV、50mV。考虑上升时间为3ns，幅度测量精度为4mV,此项误差将在10ps左右（见图4.6-2）。TOF的飞行时间测量精度估计详见下表4.6-1：15北京正负电子对撞机重大改造工程初步设计表4.6-1TOF时间分辨率分析时间分辨率项目桶部时间分辨率端盖时间分辨率单层TOF本征时间分辨率80～90ps80ps束团时间的不确定性20ps20ps束团长度的不确定性15mm，35ps15mm，35psMDC外推的定位精度5mm,25ps10mm,50ps电子学测量的精度25

7、ps25ps预期飞行时间精度30ps30ps时幅修正10ps10ps单层TOF总时间分辨率100～110ps110～120ps双层TOF总时间分辨率80～90ps4.6.1粒子鉴别能力根据TOF的几何尺寸，可以计算出相同动量K/p粒子的飞行时间差ΔT，再根据TOF的时间分辨率sTOF，按照理想的高斯分布，我们可以估算出K/p分辨能力：ΔT>3.38sTOF，正确率>95.4%，即满足2s鉴别能力；