[论文解读] The AMS-02 Time of Flight System. Final Design

V. Bindi, N. Carota+14 more|ArXiv.org|May 26, 2003

Advanced Frequency and Time Standards被引用 3

一句话总结

本文介绍了AMS-02飞行时间（TOF）系统最终设计，该系统为四平面塑料闪烁体探测器，配备144个光电倍增管，分别读取34个计数器两端的信号，用于测量粒子速度与电荷。关键成果包括时间分辨率达57±1 ps，满足50 ps的要求，以及通过Birk定律拟合倍增极信号成功实现电荷识别。

ABSTRACT

The AMS-02 detector is a superconducting magnetic spectrometer that will operate on the International Space Station. The time of flight (TOF) system of AMS-02 is composed by four scintillator planes with 8, 8, 10, 8 counters each, read at both ends by a total of 144 phototubes. This paper describes the new design, the expected performances, and shows preliminary results of the ion beam test carried on at CERN on October 2002.

研究动机与目标

• 为国际空间站上的AMS-02宇宙射线光谱仪开发高精度飞行时间系统。
• 实现对粒子速度与电荷的测量，这对于区分宇宙射线中的物质与反物质至关重要。
• 通过采用截头楔形外层计数器，在保持性能的同时降低系统质量。
• 利用弯曲光导和R5946光电倍增管，确保在强磁场和发射振动条件下的稳定运行。
• 实现低于50 ps的时间分辨率，以实现精确的粒子识别。

提出的方法

• TOF系统采用四个正交闪烁体平面（分别含8、8、10、8个计数器），使用厚度为1 cm的聚苯乙烯（C1）和BC408（C2）闪烁体。
• 每个计数器两端均通过独立的光电倍增管（PMT）读出，采用弯曲的透明光导及柔软透明垫片实现光学与机械耦合。
• 选用滨松R5946光电倍增管，以确保在强残余磁场环境下的稳定运行。
• 通过飞行时间测量计算粒子速度β = v/c，同时利用触发标志估算能量损失以推断电荷。
• 对倍增极信号应用Birk定律：Q = (p₁Z²)/(1 + p₂Z² + p₃Z⁴)，其中Q为ADC电荷减去基线（p₄），以推断原子序数Z。
• 在CERN进行的离子束实验中，使用Pb束轰击Be靶，产生Z = 1至82的次级粒子，实现全电荷范围的校准。

实验结果

研究问题

• RQ1 AMS-02 TOF系统在飞行条件下能否实现低于50 ps的时间分辨率？
• RQ2 能否通过TOF计数器中倍增极信号的Birk定律拟合，准确重建粒子电荷Z？
• RQ3 采用截头楔形外层计数器是否能在不降低时间或电荷分辨率的前提下减轻质量？
• RQ4 能否通过飞行时间与触发逻辑可靠地区分上行与下行粒子？
• RQ5 TOF系统在测量从Z = 1到82的多种离子种类的粒子速度与电荷方面表现如何？

主要发现

• TOF系统在使用标准CERN电子学的情况下，实现了57±1 ps的时间分辨率，处于AMS-02前端板允许的最大50 ps范围之内。
• 时间分辨率随粒子电荷增加而提高，这是由于光子统计量更高，最终受限于电子噪声。
• 对倍增极信号应用Birk定律拟合，成功在从氢到铅（Z = 1至82）的全范围内重建了粒子电荷Z。
• 在阳极与倍增极信号中，电荷峰均清晰可辨，且倍增极信号中的第一个峰对应于氦（He）。
• 左右两侧PMT的增益比测量为3:2，系统在发射与着陆模拟中表现出稳定的信号传输，未出现损坏。
• TOF系统的整体设计，包括弯曲光导与R5946光电倍增管，在振动与磁场条件下表现出良好的鲁棒性。