[论文解读] Technical Design Report of the Inner Tracker for the KLOE-2 experiment

KLOE- Collaboration, F. Archilli+81 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 8

一句话总结

本文介绍了在DAΦNE φ-工厂的KLOE-2实验中，基于三重GEM（气体电子倍增器）探测器、定制前端电子学和高压集成的内层触发器（Inner Tracker, IT）的技术设计方案。该系统实现了高空间分辨率和精确的顶点重建，用于$K_S$衰变，从而实现对$CPT$对称性的高精度检验以及在更高亮度和探测器性能下的稀有奇异夸克衰变研究。

ABSTRACT

The technical design report of the Inner Tracker for the KLOE-2 experiment is presented

研究动机与目标

• 为KLOE-2实验设计高性能内层触发系统，以提升$K_S$衰变和稀有$K_L$衰变的重建性能。
• 实现$K_S \to \pi^+\pi^-$衰变的亚毫米级顶点分辨率，这对$CPT$对称性和量子力学检验至关重要。
• 通过增强的追踪能力和顶点分辨率，实现对$\eta$衰变至四个带电粒子及多轻子事例的精确测量。
• 开发并集成基于三重GEM的探测器，配备定制前端电子学和高压系统，用于在0.52 T磁场中运行。
• 确保机械稳定性、高计数率能力以及抗辐射性能，以支持约20 fb$^{-1}$的积分亮度运行。

提出的方法

• 内层触发器采用五层同心排列的三重GEM探测器，配备120°分段的圆柱形读出电极，每层具有18至27个前端电子学通道。
• 每个GEM层由20个独立的高压区组成，连接线路通过聚酰亚胺薄膜和端子翼片引至外部连接器。
• 前端电子学采用GASTONE ASIC和16通道原型，信号通过60×40 mm²印刷电路板上的120针、0.5 mm间距连接器读出。
• 机械集成采用环形法兰和刚性支撑结构，以固定前端电路板和高压连接器，同时在支撑结构中集成气流通道。
• 探测器采用三维机械模型优化印刷电路板尺寸和连接器布局，确保对称读出和机械鲁棒性。
• 通过样件组装和120°C热循环测试验证了高压与前端电子学的集成，确认了焊接和机械连接的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何为KLOE-2实验中靠近相互作用点的$K_S$衰变设计一种高计数率、高分辨率的追踪系统？
• RQ2 在0.52 T磁场中，三重GEM探测器与前端电子学的最优配置是什么，以实现亚毫米级顶点分辨率？
• RQ3 在圆柱形、抗辐射的探测器结构中，如何可靠地实现机械集成和高压连接？
• RQ4 在高亮度$e^+e^-$环境中，五层GEM基追踪器的关键设计约束和性能极限是什么？
• RQ5 如何组装和测试整个探测器系统，以确保长期稳定性和运行可靠性？

主要发现

• 内层触发器对$K_S \to \pi^+\pi^-$衰变的顶点分辨率达到了约6 mm，支持精确的$CPT$对称性和量子干涉研究。
• 探测器设计支持3950条读出条纹和3950个电子学通道，每层采用120°分段以实现对称读出。
• 120°C热循环测试证实了前端和高压系统连接器焊接及机械装配工艺的可靠性。
• GASTONE ASIC和16通道原型在实验室测试中表现成功，验证了前端电子学设计的可行性。
• 最终设计于2011年7月完成，随后进行了为期15个月的建造与测试，此前经历了7.5个月的工程设计阶段。
• 每张GEM薄膜集成20个独立的高压区，连接线路通过聚酰亚胺薄膜引至支撑法兰上的外部连接器。