北京谱仪（BESⅢ）的设计与研制PDF电子书下载

第1章 北京谱仪Ⅲ探测器的物理目标与总体设计 1

1.1 τ-粲物理 1

1.2北京谱仪（BES Ⅲ）的物理目标 4

1.2.1轻强子谱研究 5

1.2.2粲偶素物理研究 6

1.2.3粲物理研究 7

1.2.4量子色动力学和强子产生性质研究 8

1.2.5τ轻子物理研究 9

1.3 BES Ⅲ探测器的总体设计 9

第2章 谱仪机械系统 14

2.1设计目标、要求与限制条件 14

2.2谱仪轭铁 15

2.2.1桶部轭铁结构设计 16

2.2.2端部轭铁和移动机构设计 17

2.2.3谱仪轭铁的制造及安装 18

2.3各子探测器的支承结构 20

2.3.1超导磁体的支承 21

2.3.2各子探测器的支承结构设计及安装 21

2.4端部量能器及其移动机构 25

2.4.1端部量能器结构 25

2.4.2端部量能器移动机构 25

2.5谱仪总体移动机构 27

2.5.1谱仪基座的设计 27

2.5.2谱仪总体移动及对撞点就位 27

2.6机械总体的技术特点 29

第3章 主漂移室系统 31

3.1物理设计 31

3.2机械设计 34

3.2.1内室结构 34

3.2.2外室结构 35

3.2.3内外室连接 37

3.3漂移室研究 37

3.3.1模型实验 37

3.3.2定位子、丝、密封胶、夹丝钳 40

3.3.3机械模型试制和预应力试验研究 42

3.4室体的加工与组装 43

3.4.1室体零件加工 44

3.4.2室体组装 45

3.4.3室体测量 46

3.5漂移室布丝 48

3.5.1预应力 49

3.5.2蠕变过程计算分析 50

3.5.3布丝机 50

3.5.4布丝 52

3.5.5张力和漏电流的测量 53

3.5.6内室和外筒窗盖板的安装 55

3.5.7漂移室的密封 56

3.6宇宙线试验 57

3.6.1宇宙线测试系统的安装 57

3.6.2气体系统 59

3.6.3扫描测试 59

3.6.4测试结果 61

3.7漂移室安装 62

3.8运行与性能测试结果 64

3.9创新与特点 65

第4章 主漂移室电子学系统 68

4.1设计要求 68

4.1.1电荷测量 68

4.1.2时间测量 70

4.1.3系统设计须考虑的因素 71

4.2系统和电路设计 73

4.2.1前置放大器 73

4.2.2电荷与时间测量插件 76

4.2.3校准刻度电路 83

4.2.4读出控制插件（MROC插件 85

4.2.5触发接口插件（MTI插件） 86

4.2.6扇出插件（MF-I插件和MF-Ⅱ插件） 87

4.2.7信号电缆 87

4.3系统框图结构和在探测器大厅的布局 88

4.4研制进展 91

4.5性能指标的测试及结果 96

4.6技术特点和创新点 104

第5章 飞行时间探测器系统 107

5.1探测器目标分析 107

5.2探测器设计研究 111

5.2.1桶部闪烁体的选择定型 111

5.2.2端盖闪烁体的选择定型 113

5.2.3光电倍增管的选择 115

5.2.4小模型实验的初步结果 116

5.2.5监测系统 116

5.3探测器制造 118

5.3.1闪烁体研究与质量控制 118

5.3.2光电倍增管研究与质量控制 120

5.3.3探测器配件的制作与质量控制 121

5.4探测器安装 122

5.5探测器离线刻度与时间分辨率 124

5.5.1离线刻度流程与方法 124

5.5.2刻度后飞行时间探测器的时间分辨率 125

5.6总结 127

第6章 飞行时间探测器电子学系统 129

6.1飞行时间探测器读出电子学系统的设计 129

6.1.1性能指标 129

6.1.2技术路线 132

6.1.3系统描述 140

6.2系统研制 141

6.2.1方案调研和论证 142

6.2.2TOF电子学系统的研发 142

6.2.3小系统建立与联调 148

6.2.4安装、调试和初步取数 149

6.3测试结果 150

6.3.1T0F前置放大器 150

6.3.2读出电子学 152

6.3.3TOF时钟系统 154

6.3.4T0F监测器电子学 156

6.3.5其他功能模块 157

6.4技术特点与创新点 157

6.4.1信号链路的全差分处理 157

6.4.2时间、电荷量的统一数字化处理 158

6.4.3 HPTDC非线性实时修正 158

6.4.4光电倍增管快脉冲的“电荷—时间转换”技术与温度漂移补偿 159

6.4.5高精度时钟系统 159

第7章 电磁量能器系统 161

7.1电磁量能器的设计 161

7.1.1晶体的选择 161

7.1.2 CsI（Tl）晶体尺寸的设计 162

7.2量能器的结构 164

7.2.1晶体排列 164

7.2.2晶体单元结构 165

7.2.3量能器电子学 166

7.2.4量能器的机械结构 166

7.3 量能器的预研 167

7.3.1 CsI（T1）晶体反射材料的研究 167

7.3.2硅光二极管及前置放大器 168

7.3.3晶体探测单元的电子学噪声 169

7.3.4晶体支撑机械结构 170

7.4 量能器晶体单元的制作与测试 171

7.4.1晶体 171

7.4.2硅光二极管检测 173

7.4.3前置放大器检查 174

7.4.4晶体探测单元的制作 175

7.4.5晶体探测单元的宇宙线检查 177

7.5 量能器的组装 179

7.5.1量能器的机械结构制造 179

7.5.2桶部量能器的组装与安装 180

7.5.3端部量能器的组装与安装 183

7.6辅助支撑系统 184

7.6.1 LED-光纤刻度系统 184

7.6.2温度冷却控制 185

7.6.3温湿度监测系统 185

7.6.4辐射剂量监测系统 185

7.7量能器测试与运行结果 190

7.7.1晶体探测单元阵列的试验束联调 190

7.7.2利用EMC时间信息去除束流本底 192

7.7.3运行结果：能量与位置分辨率 192

7.8技术特点与创新点 194

第8章 电磁量能器电子学系统 195

8.1 设计指标 195

8.1.1动态范围 195

8.1.2电子学噪声 195

8.1.3通道之间的串扰 195

8.1.4积分非线性 196

8.2系统设计 196

8.2.1概述 196

8.2.2电磁量能器读出电子学框图 197

8.2.3前置放大器 198

8.2.4主放大器 201

8.2.5电荷测量插件 204

8.2.6测试控制器 206

8.2.7扇出 208

8.2.8电磁量能器监测器 208

8.3研制进展 210

8.4性能指标及测试结果 212

8.4.1电磁量能器电子学性能指标 212

8.4.2实验室条件下384路小系统性能测试 213

8.4.3推入对撞点后6240路读出电子学系统测试 217

8.5技术特点与创新点 218

第9章 μ子鉴别器系统 221

9.1探测器的选择 222

9.1.1阻性板计数器简介 222

9.1.2 RPC与流光管的比较 224

9.2蒙特卡罗模拟 224

9.3探测器设计 226

9.3.1桶部结构 227

9.3.2端盖结构 227

9.3.3 RPC结构 228

9.3.4高压系统 230

9.3.5气体系统 231

9.3.6探测器预期性能 231

9.4 μ子鉴别器的研究开发 232

9.4.1阻性板的研制 232

9.4.2垫片材料的选择 233

9.4.3胶的选择 233

9.4.4胶体石墨的研制 233

9.4.5气体比分的研究 233

9.4.6阈值研究 235

9.4.7阻性板电阻率对探测器性能的影响 235

9.4.8温度对实验结果的影响 237

9.4.9探测器寿命的研究 238

9.5探测器的生产、安装 241

9.5.1 RPC裸室生产和测量 241

9.5.2 RPC模块组装和测量 241

9.5.3探测器安装 242

9.6探测器的性能测试 242

9.7技术特点和创新点 244

第10章 μ子鉴别器电子学系统 246

10.1电子学设计条件和指标 247

10.2 μ子读出电子学系统方案的确定 247

10.2.1核电子学和高能物理读出电子学方案的异同 248

10.2.2 μ子读出电子学系统电路程式 249

10.2.3μ子读出电子学系统方案物理结构的选择 250

10.3 μ子鉴别器读出电子学系统预研 251

10.3.1小系统预研内容 252

10.3.2小系统结构 252

10.3.3小系统传输信号电平选择 253

10.3.4小系统传输时钟选择 253

10.3.5 FEC板设计 254

10.3.6 NIM-USB读出板的设计 267

10.3.7小系统抗干扰措施 268

10.3.8小系统测试 269

10.4 VME插件研制 272

10.4.1 VME机箱控制插件 272

10.4.2扇入扇出插件 273

10.4.3读出插件 273

10.4.4 VME插件的测试 276

10.5其他设备 278

10.6研制进展 278

10.7 μ子鉴别器读出电子学系统技术说明 279

10.7.1数据链的组织 279

10.7.2 FEC输出串行数据格式 282

10.7.3 VME读出插件数据格式 282

10.8技术特点与创新点 282

第11章 超导磁体系统 285

11.1物理要求及磁路设计 286

11.2超导线圈设计及制造 288

11.2.1超导电缆 288

11.2.2超导线圈设计 289

11.2.3超导电缆短样性能测试 291

11.2.4模型线圈绕制 293

11.2.5正样线圈绕制 294

11.3低温恒温器 295

11.3.1低温恒温器设计 295

11.3.2低温恒温器装配 297

11.3.3阀箱和电流引线 297

11.4电源和失超保护 300

11.5真空子系统 302

11.6超导磁体安装 303

11.7超导磁体冷却及励磁 304

11.7.1低温参数及控制 304

11.7.2状态监测和联锁 305

11.7.3冷却及励磁 307

11.8磁场测量 308

11.9技术特点与创新点 310

第12章 对撞区与本底 312

12.1束流管 312

12.1.1束流管的设计要求 312

12.1.2结构设计 313

12.1.3模型及试验 316

12.1.4关键技术的预研 322

12.1.5铍束流管研制 324

12.1.6镀金设备和工艺 329

12.1.7总装焊接 330

12.1.8束流管研制总结 331

12.2束流相关本底研究 332

12.2.1束流相关本底的蒙特卡罗模拟 333

12.2.2本底实验 336

12.3辐射本底剂量率监测系统 337

12.3.1剂量率监测系统设计 337

12.3.2探测器及其性能研究 338

12.3.3数据采集系统 340

12.3.4安装及运行 342

12.4零角度亮度监测器 343

12.4.1单轫致辐射过程 343

12.4.2零角度亮度监测器结构 344

12.4.3零角度亮度监测器的读出电子学 346

12.4.4测试与运行 348

12.5束流能量精确测量系统 349

12.5.1工作原理 349

12.5.2系统设计与建造 351

12.5.3运行控制与数据获取系统 352

第13章 触发判选系统 354

13.1事例率的估算 354

13.2对BES Ⅲ触发判选系统的要求 355

13.3触发判选系统的方案确定与参数优化 356

13.3.1触发方案的模拟优化 356

13.3.2触发判选系统的结构 356

13.4触发系统的研制与建造 371

13.4.1预制研究 371

13.4.2技术攻关 372

13.4.3技术评审与量产验收 372

13.4.4质量管理 373

13.5测试结果、技术特点和创新点 373

13.5.1测试结果 373

13.5.2创新与特点 374

第14章 数据获取系统 376

14.1系统的主要任务 377

14.2系统构成 377

14.3系统配置 379

14.3.1系统配置GUI工具 380

14.3.2在线软件配置 380

14.3.3在线硬件配置 380

14.4读出系统 383

14.4.1 BESⅢ数据读出系统的需求分析 383

14.4.2 BESⅢ数据获取读出系统的关键技术 384

14.4.3基本功能测试结果与分析 385

14.4.4 DAQ读出系统框架 387

14.5在线系统 394

14.5.1进程间通信框架 394

14.5.2进程管理与运行控制 394

14.5.3事例组装 396

14.5.4事例筛选与存储 397

14.6其他支持系统 400

14.6.1非物理取数模式 400

14.6.2在线监测系统 404

14.6.3计算集群系统的管理与监测 411

14.7系统测试 413

14.7.1四机箱读出性能测试 413

14.7.2集群性能测试 414

14.7.3与MDC电子学小系统的联合测试 415

14.7.4综合性能测试 417

14.8质量管理 419

第15章 技术支持系统及工艺总体布局 421

15.1慢控制系统 421

15.1.1慢控制系统的软件设计 421

15.1.2慢控制系统软件的建设 426

15.1.3慢控制计算机现场部署 427

15.1.4慢控制系统软件的验收 431

15.2温湿度监控系统 431

15.2.1温湿度监控系统的构成 431

15.2.2温湿度监控系统的建设 431

15.3气体系统 433

15.3.1质量流配气系统 434

15.3.2缓冲及温控系统 434

15.3.3单元气供给及汇流排 435

15.3.4谱仪可燃气及氧含量监测系统 435

15.3.5气体分流集流系统 435

15.4通用系统 435

15.4.1配电系统 435

15.4.2地线系统 437

15.4.3电子学机柜设备冷却系统 438

15.4.4谱仪大厅空调系统 438

15.5安全联锁系统 439

15.5.1安全联锁系统的目的与要求 439

15.5.2安全联锁系统的设计 440

15.5.3硬件的实现 441

15.5.4软件的实现 441

15.5.5安全联锁系统的运行情况 442

第16章 离线计算机系统 445

16.1离线数据处理对计算机环境的要求 445

16.1.1计算能力 445

16.1.2存储容量 446

16.1.3 I/0速度 447

16.2离线数据处理环境初步设想 447

16.2.1计算子系统设计 447

16.2.2存储子系统设计 450

16.3建设实施进展 452

16.3.1计算环境建设 452

16.3.2存储系统建设 456

16.4测试结果 458

16.4.1功能测试 459

16.4.2性能测试 460

16.5技术特点与创新点 462

第17章 离线数据处理和分析系统 464

17.1离线数据处理和物理分析过程 464

17.2软件平台 465

17.2.1平台特点 465

17.2.2整体结构 466

17.2.3流程控制 467

17.2.4软件配置管理 468

17.3物理产生子 468

17.3.1产生子框架 469

17.3.2产生子 469

17.4探测器模拟 471

17.4.1探测器模拟的框架 471

17.4.2漂移室的模拟 473

17.4.3飞行时间计数器的模拟 476

17.4.4电磁量能器的模拟 478

17.4.5 μ子鉴别器的模拟 480

17.4.6触发判选的模拟 481

17.5探测器的离线刻度 482

17.5.1离线刻度框架 482

17.5.2漂移室离线刻度 482

17.5.3能量分辨率刻度 483

17.5.4TOF刻度 484

17.5.5晶体量能器的能量与位置刻度 485

17.5.6 μ子探测器刻度 487

17.6离线事例重建系统 488

17.6.1离线事例重建系统概述 488

17.6.2事例起始时间重建 489

17.6.3漂移室径迹重建 492

17.6.4漂移室径迹拟合 496

17.6.5 d E/d x重建 498

17.6.6TOF重建 499

17.6.7量能器的能量与位置重建 500

17.6.8 μ子鉴别器的重建 501

17.6.9径迹外推和匹配 502

17.6.10事例顶点重建 503

17.7物理分析工具 504

17.7.1粒子鉴别软件及其框架结构 505

17.7.2粒子鉴别软件的性能 507

17.7.3运动学拟合软件 508

17.8数据处理和管理 509

17.8.1实验数据管理系统的软件架构 509

17.8.2实验数据管理系统的模块功能 510

17.8.3实验数据管理系统的测试和应用 511

第18章 安装调试与运行 514

18.1安装与调试 514

18.2运行 517

18.3工程管理 518

18.3.1工程建设管理体系 518

18.3.2技术方案与接口 519

18.3.3经费预算 519

18.3.4进度管理 520

18.3.5合同与采购 520

18.3.6质量管理 521

18.4结束语 522

附录Ⅰ 523

附录Ⅱ 524

附录Ⅲ 526

附录Ⅳ 527

附录Ⅴ 528

索引 532