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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Ⅰ523

附录Ⅱ524

附录Ⅲ526

附录Ⅳ527

附录Ⅴ528

索引532