电磁量能器设计

设计要求电磁量能器用来重建反冲电子和出射光子的能量及空间位置信息，要求其具备极高的能量与空间位置分辨率、较短的响应时间和较好的耐抗辐射损伤性能。本实验中对于中高能反冲电子(>600MeV)能量的重建主要依赖于电磁量能器，其能量和位置的测量精度直接决定了探测到暗光子的灵敏度。电子打靶产生出射光子，然后其能量沉积到量能器过程是该实验的一项重要本底过程，有别于信号，该本底过程产生出射光子可以在量能器中沉积额外的能量，因此对于出射光子的能量和位置重建也至关重要。本实验使用上海自由电子激光相干光源引出的电子束流，轰击钨靶(0.1X0)。电子打靶的频率在10MHz到20MHz之间，要求电磁量能器的响应要在50ns内完成（即完成搜集一次打靶产生事例的全部能量）。打靶后产生的电子和光子能量沉积在电磁量能器中，能量集中在8GeV前后,并具有较宽的能谱（MeV-GeV区间）。本实验预计EOT(ElectronOnTarget)为1014/年，大部分事例出射的电子偏转角很小(30),因此能量主要沉积在量能器的中心区域（靠近束流的方向），这就要求量能器材料（特别是中心区域）具有较好的抗辐照性能。闪烁体材料以其极高的能量响应和分辨率、较高的发光效率以及造价低廉等优势,成为电磁量能器最为常见的选择之一。本实验对电磁量能器的性能要求，即对晶体性能要满足较高的光产额20,000Ph/MeV较短的衰减时间50ns晶体总面积50×50cm2，长度要求40个辐射长度，此时对应的粒子的能量减小为原来的e-40～4.2×10-18较高的能量分辨率，对于1GeV的电子或者光子，能量分辨率要达到2%-3%的水平单根晶体的光响应均匀性好于5%，加工尺寸误差好于0.1mm，多个晶体之间的光输出一致性好于20%。表[1]列出较为常用的闪烁体探测器材料。其中硅酸镥（LSO,lutetiumoxyorthosilicate）和硅酸钇镥（LYSO,lutetium-yttriumoxyorthosilicate）已实现批量生产。它们的高阻抗性（密度ρ=7.4g/cm3,辐射长度X0=1.14cm,莫里哀半径RMoliere=2.07cm），高光产额（是BGO晶体的4倍），衰减时间段（τ=～40ns，BGO晶体的1/6），峰值发射波长在420nm，且性质稳定，不会潮解，平均温度影响因子（25到50℃）约为-0.28%/℃。LYSO和LSO目前已应用于Super-B,HERD,COMET和ILC等实验探测器建造或预研，并在高能物理实验中具有良好的应用前景。图1:主要用于电磁量能器的无机闪烁体[参考文献：/~zhu/talks/ryz_191208_CPAD.pdf]从表[1]对比发现，LYSO（Ce）是目前唯一的同时具备高光输出和衰减时间快等特性的晶体。由于其较高光输出和较低的电子学噪声，因此会比L3BGO和CMSPWO具有更高的能量分辨率，能量在GeV量级时，约为。通过对2.5×2.5×2.5cm的LYSO晶体做测试发现，使用22Nasource(0.51MeV)对脉冲高度谱进行测量，LYSO能量分辨率约为10%。另外，LYSO晶体具有很好的辐照硬度，在强度为9000rad/h的γ射线照射下，透过率有5～6%的损失，在长时间的照射下，光产额和光输出均匀性下降较小，与PWO相比，辐射损失不再是一个问题。由于组成LYSO晶体的自然镥元素中含有2.6%的放射性176镥同位素，因此LYSO存在放射性本底，但基于以前的测试结果，LYSO的余晖约为10-3到10-4，虽然相高于PWO的10-5，但是还是影响较小的，而且可以通过工艺上的优化进一步减小余晖水平。最终，本实验选用LYSO（Ce）作为电磁量能器的材料。设计参数及造价预估本实验电磁量能器设计概念图如图[1]。采用具有高额光输出、衰减时间短、辐射长度短的LYSO(Ce)晶体作为电磁量能器材料。每个LYSO晶体条截面为2.5×2.5cm2，为满足40个辐射长度约45cm的要求，可将3段15cm长的LYSO晶体或2段23cm长的LYSO晶体连接起来。LYSO总面积为50×50cm，由16个模块组成，每个模块由5×5个长度为40X0的LYSO晶体条拼接而成。图1:电磁量能器设计概念图。左图为单个模块设计；右图为整个电磁量能器设计考虑到LYSO晶体的价格相对较高，且电磁量能器中心的束流密度比较大，外围粒子入射频率较低，对时间响应要求较低，因此也可以考虑在外围使用BGO晶体。两种电磁量能器设计方案及其造价估算如表[2]。表2:电磁量能器参数及其预算估计体积预估价格选择1LYSO50×50×45cm3=112500cc×$30/cc=$3.4M选择2中心(LYSO):30×30×45cm3=40500cc外部(BGO):72000cc×$30/cc=$1.2M×$10/cc=$0.7M国内生产LY