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桶部电磁量能器
吕军光
一、总体考虑
电磁量能器在BES谱仪中占有十分重要的地位。它的基本功能是测量电子和γ光子的能量和空间信息。根据总体的物理要求，BESIII的电磁量能器需具有如下的功能和指标：
(1)测量电子和γ光子的能量信息，能量覆盖范围为：20 MeV—2 GeV。
并且要求在能量低于500 MeV的重点区域，能量分辨率达到8%/E。
≈ 1 cm/E。
(2)电磁簇射的位置分辨：σ
x,y
(3)提供中性（γ）能量触发。
(4)具有足够好的能量分辨率，使得在能量高于180 MeV的区域具有良
好的e/π分辨。
(5)足够小的探测单元粒度（granularity）和精细的信号读出,因而具
有良好的双γ角分辩能力，强的探测高能π0的能力和区分来自强
子衰变γ的能力。
(6)好的时间分辨能力，可以对带电粒子的飞行时间进行补充测量，本
≤160 ps（强子）。
征时间分辩σ
t
北京正负电子对撞机现在的桶部电磁量能器（BES-BSC）为24层铅板和23层自淬灭流光（SQS）管组成的气体取样量能量。它的造价相对便宜，但只具有较差的能量分辨率（△E/E =21%/)
E），目前已经运行了13年进入寿命
(GeV
的后期阶段。由于量能器的总造价很高，BSC没有列入上次（94-96年）的改进计划。无论从性能上和寿命上来看，目前的BSC都已经不能满足BESⅢ的要求。建造一个新的桶部电磁能量器是十分必要的。
二、选型
BESIII的电磁量能器拟采用闪烁光纤取样量能器。意大利φ工厂KLOE谱仪的电磁量能器[1,2]是一个由铅和闪烁光纤构成的取样量能器，它具有好的能量分辨率和位置分辨率。对于300 MeV的电子和γ光子，其能量分辨率可达到10%，向高能方向外推可达<7%/E；通过光纤双端读出的时间信息，确定Z向击中位置，对簇射的空间分辨率可以达到1 cm/E。从可达到的性能指标和结构上看，KLOE量能器都是闪烁光纤量能器一个成功的例子，可以作为BESⅢ-BEMC的基本参考。另外，我国（我所、科大等单位）曾有一些科技人员参加了KLOE量能器的研制工作，他们的工作经验也可借鉴。闪烁光纤量能器无疑是个可行的方案。
三、结构
BEMC将由24个横截面为梯形，长395 cm，厚20 cm的模块构成一个内径264 cm圆桶状探测器(图1)。量能器模块由平均厚度为0.5 mm，两面带有半径为0.55 mm半圆槽的铅片和镶嵌在槽内的φ1 mm的闪烁光纤粘接而成。铅片
和光纤层各有160层,总厚度相当于13 X
。光纤相距1.35 mm，光纤层距1.2 mm,
光纤与铅片之间的空间充满环氧胶（图2）。光纤、铅与胶的体积比为50∶40∶10，比重约为5 g/cm3。通过初步的MC模拟计算得到，对于最小电离粒子，闪烁光纤的取样能量占沉积能量的13%，在理想的电磁簇射情况下，能量分辨率接近7%/E。
闪烁光纤采用发射波长为兰光的材料，要求衰减长度尽量长（>3 m）；光产额约8 p.e./mm,并且具有快的发光衰减时间<2.5 ns,以便能提供好的时间分辨。闪烁光纤的直径选为1 mm。表1列出若干闪烁光纤的特性。
预制研究（R&D）测量到的初步结果：闪烁光纤SCSF-81（KURARAY 公司）和BCF-10（BICRON公司）的衰减长度分别为3.3 m 和2.8 m。
对BEEC的MC模拟计算正在进行，其结果将用于量能器设计的进一步优化。
四、读出方式
闪烁光纤的信号由光纤二端读出。探测器读出单元尺寸为 2.8 cm(Φ)×2.5 cm(R)。每四个相邻的单元通过一个各路分离的光导（图3）共同耦合到一个2英寸直径的四通道抗磁场的光电倍增管的窗口上。光导的长度约为8cm，一端为方型，经切割和抛光后直接粘在量能器的铅和闪烁光纤的端面上，另一端为圆柱型（四个1/4园的组合），直接耦合到光电倍增管的窗口。通过光导使各部位闪烁光纤的光较均匀的入射到光电倍增管光阴极上，以改善对不同位置光纤入射的光电转换效率和渡越时间的均匀性。
整个量能器沿径向有四层光电倍增管，它们所对应的量能器覆盖相同的Φ角。Z方向坐标通过各读出单元两端输出信号的时间差确定。
光电倍增管的型号为R5924-M4，系HAMAMATSU新研制的产品，其参数如下：
表2 R5924-M4型光电倍增管的特性参数
光谱响应范围： 300—650 nm
最大响应光谱值： 420 nm
光阴极材料和灵敏面积： Bialkali/Φ39 mm
供给电压： 2000 V/Max:2300 V
打拿极结构： Fine Mesh/19
放大倍数（2000 V）： 1×107
阳极脉冲上升时间： 2.5 ns
电子渡越时间： 9.5 ns
单电子渡越时间涨落：σ≤200 ps
BEMC总共需要约1400只光电倍增管，每只光电倍增管有4路独立的测量电荷（Q）的电子学和1路测量时间（T）的电子学，总共约有7000道电子学。
五、设计参数
(1) 能量分辨率：ΔE/E = 8%/E
= 1 cm/E
(2) 电磁簇射的位置分辨：σ
x,y
σ
= 1.2 cm/E
z
= 75 ps/E（e.γ）
(3) 时间分辨：σ
t
σ
= 160 ps (强子)
t
= 50 mr
(4) 双γ角分辨：Δθ
2r
= 20 MeV
(5) 最小探测能量： E
min
(6) 覆盖立体角： 80% 4π
六、工程安排
(1)实验厅改造
现有实验大厅（3号厅）改造，并在其内建立二个小厅。其一为探测器制造厅，面积为140M2，内包括建造、存放、切割、抛光、宇宙
射线测量和总装区域。其二为40M2,内包括铅片机加工和各种必须物品
存放。室内需有电、水、温控、吹气、抽气、吊车装置。
(2)机加工
*BEMC外环、内环，组装装置。
*量能器制造平台（3个），切割、抛光平台，测试平台，粘接光导平
台。
*运输架，存放架
*光导加工
(3)预制研究（R&D）实验室
*建立两个固定的实验室，进行闪烁光纤测量和准备模型制造、测量。
*建立光纤质量测量系统。
*建立光电倍增管、分压器测量系统。
*建立宇宙射线测量系统。
七、工程造价估算
(1)闪烁光纤： 4000 Km 2000万
(2)光电倍增管： 1500只 3000万
(3)分压器： 1500只 75万
(4)光导加工： 1400只 70万
(5)HV电源： 1500路 500万
(6)监测系统： 1400路 50万
(7)制造、组装设备：
*铅加工机械约30万
*内环、外环约200万
*24套模块外壳 50万
*制造平台（3个） 60万
*总装台 50万
*切割、抛光装置，粘接光导 30万
*各种存放架和运输推车 20万
*铅片材，粘接 160万
(8)实验室建设、测量装置
*大厅建设和内部装置 80万
*测量装置（常规测量、光纤测量、宇宙线测量） 120万
总计: 6495万
参考资料
1. Nuclear Instrument and Methods in physics Research A354(1995)352-363
2. Nuclear Instrument and Methods in physics Research A360(1995)201-205.