CEPC闪烁体-钨电磁量能器闪烁体单元研究

论文摘要

对希格斯（Higgs）粒子属性的研究是现今高能物理学界最前沿的科学研究,它对于人类更进一步的认识世界有重要的意义。环形正负电子对撞机（CEPC）是中国粒子物理学界于2012年提出的一个大型国际科研设施。它的设计周长约为100km,可作为Z和Higgs工厂。在CEPC探测器中考虑了粒子流算法（PFA）量能器系统,以提供电子,光子,tau和强子喷注的高分辨率能量测量。具有闪烁体-钨夹层结构（ScW）的采样量能器,由于其良好的性能,以及可以以紧凑且经济的方式建造,被选为CEPC电磁量能器（ECAL）的主要预研方案之一。闪烁体-钨ECAL的灵敏层由2mm厚、面积5×45mm2的大量塑料闪烁体条组成。塑料闪烁体是一种性能优良的材料,已用于许多高能物理实验。它可以通过注塑方法生产以降低成本。此外,由于采用条状闪烁体单元结构,可以有效减少读出电子学通道的数量。ECAL的设计中,相邻层中的闪烁体条彼此垂直排布,以实现较小的有效读出单元尺寸。每个闪烁体条被反射膜包裹,以提高光收集效率并改善光输出的均匀性。待测粒子穿过闪烁体条激发产生的光子通过耦合在闪烁体条上的非常紧凑的光传感器件硅光电倍增管（SiPM）读出。SiPM和高度集成的读出电子学系统使闪烁体-钨ECAL中的死区几乎可以忽略不计。条状的闪烁体单元的光输出沿着闪烁体长度方向具有不均匀性,这将对闪烁体-钨ECAL的分辨率产生影响。为了实现整个闪烁体条具有良好的光输出均匀性,需要对闪烁体单元进行优化,包括SiPM与闪烁体条的耦合方式。本文主要介绍了闪烁体单元设计的实验研究和优化,得到了具有很好光输出均匀性的耦合方式。另外,本文还介绍了基于Geant4的闪烁体单元模拟研究,模拟结果与测试结果基本符合。论文最后给出了ScW ECAL单层样机的建造及宇宙线测试,研究结果表明,闪烁体-钨ECAL闪烁体单元性能可以满足设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
•   1.1 希格斯（Higgs）粒子
•   1.2 CEPC简介
•   1.3 选题背景及意义
•   1.4 论文结构
• 2 CEPC ScW ECAL设计方案
•   2.1 电磁量能器工作原理
•     2.1.1 能量分辨率
•     2.1.2 角度分辨率
•     2.1.3 空间分辨率
•     2.1.4 时间响应
•     2.1.5 对簇射的分辨能力
•   2.2 ScW ECAL结构设计
•     2.2.1 ScW ECAL设计要求
•     2.2.2 ScW ECAL基本设计方案
•   2.3 闪烁体单元介绍
•     2.3.1 塑料闪烁体
•     2.3.2 SiPM
•     2.3.3 反射膜
•   2.4 本章小结
• 3 闪烁体单元的优化
•   3.1 闪烁体单元自动化测试系统
•     3.1.1 硬件组成
•     3.1.2 基于LabVIEW的自动化测试程序
•     3.1.3 数据分析
•   3.2 SiPM耦合配置的优化
•     3.2.1 端面耦合
•     3.2.2 端部底面耦合
•     3.2.3 底面中心耦合
•   3.3 凹槽结构优化
•     3.3.1 球形凹槽
•     3.3.2 平底圆形凹槽
•     3.3.3 跑道型凹槽
•   3.4 Geant4 模拟
•     3.4.1 Geant4 简介
•     3.4.2 闪烁体单元光输出模拟
•   3.5 本章小结
• 4 单层样机的研制
•   4.1 闪烁体批量测试
•   4.2 单层样机
•   4.3 本章小结
• 5 总结与展望
• 参考文献
• 个人简历及在学期间发表的学术论文
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 赵兵

导师: 赵书俊,董明义

关键词: 环形正负电子对撞机,硅光电倍增管,闪烁体钨电磁量能器,闪烁体

来源: 郑州大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 郑州大学

分类号: O572

总页数: 75

文件大小: 4521K

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