[论文解读] A Cylindrical GEM Inner Tracker for the BESIII experiment at IHEP

R. Farinelli, M. Alexeev+44 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2018

Particle Detector Development and Performance参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文为中科院高能所BESIII实验提出了一种圆柱形GEM（CGEM）内径迹仪，旨在磁场环境中实现高分辨率径迹重建。该装置采用两种重建算法——电荷质心（CC）与基于时间的mu-TPC——分别针对垂直入射与倾斜入射或受磁场影响的轨迹进行优化，在所有入射角下及高达1 T的磁场下均实现了低于130 μm的稳定空间分辨率。

ABSTRACT

The Beijing Electron Spectrometer III (BESIII) is a multipurpose detector that collects data provided by the collision in the Beijing Electron Positron Collider II (BEPCII), hosted at the Institute of High Energy Physics of Beijing. Since the beginning of its operation, BESIII has collected the world largest sample of J/ψ and ψ(2s). Due to the increase of the luminosity up to its nominal value of 10^33 cm-2 s-1 and aging effect, the MDC decreases its efficiency in the first layers up to 35% with respect to the value in 2014. Since BESIII has to take data up to 2022 with the chance to continue up to 2027, the Italian collaboration proposed to replace the inner part of the MDC with three independent layers of Cylindrical triple-GEM (CGEM). The CGEM-IT project will deploy several new features and innovation with respect the other current GEM based detector: the μTPC and analog readout, with time and charge measurements will allow to reach the 130 μm spatial resolution in 1 T magnetic field requested by the BESIII collaboration. In this proceeding, an update of the status of the project will be presented, with a particular focus on the results with planar and cylindrical prototypes with test beams data. These results are beyond the state of the art for GEM technology in magnetic field.

研究动机与目标

• 开发一种适用于BESIII实验高计数率、高磁场环境的圆柱形GEM径迹仪。
• 解决在不同入射角和磁场条件下维持高空间分辨率的挑战。
• 利用测试束数据验证大面积三-GEM探测器在圆柱几何结构下的性能。
• 证明平面GEM重建算法与圆柱形GEM几何结构的兼容性。
• 表征电荷质心与mu-TPC算法在不同条件下的性能过渡。

提出的方法

• 在INFN工作坊中设计并制造了半径20 cm、长度80 cm的大面积（20 cm半径，80 cm长度）三-GEM探测器，采用圆柱几何结构。
• 采用气体密封与电稳定性技术，确保在高计数率环境下的运行可靠性。
• 采用两种独立的重建算法：电荷质心（CC）用于垂直入射轨迹，mu-TPC用于倾斜或受磁场影响的轨迹。
• 应用电荷质心方法，通过条纹电荷加权平均确定位置，优化条件为簇大小>2。
• 实现mu-TPC算法，利用漂移时间与模拟漂移速度（Garfield）为触发条纹分配二维位置。
• 通过CERN的测试束测量评估性能，比较CGEM与平面GEM在不同增益设置和簇大小下的响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无磁场条件下，圆柱形GEM径迹仪的空间分辨率如何随入射角变化？
• RQ2 1 T磁场的存在如何影响电荷质心与mu-TPC重建算法的性能？
• RQ3 电荷分布形状（高斯形与方盒形）在大入射角下对分辨率的劣化程度如何？
• RQ4 在磁场或斜入射条件下，mu-TPC算法能否补偿电荷质心方法的分辨率损失？
• RQ5 在电荷线性度与簇大小响应方面，圆柱形GEM的性能是否与平面GEM一致？

主要发现

• 在无磁场且垂直入射条件下，电荷质心（CC）方法的空间分辨率可达110 μm。
• 由于电荷分布从高斯形畸变为方盒形，CC分辨率在大入射角下劣化至100 μm以上。
• mu-TPC算法在大角度和磁场条件下提升了分辨率，当洛伦兹角超过26°时成为主导方法。
• CC与mu-TPC算法的结合在所有入射角及高达1 T磁场下均保持稳定的空间分辨率低于130 μm。
• CGEM中收集的平均电荷与簇大小呈线性关系，且与平面GEM兼容，证实了电子雪崩行为的一致性。
• CGEM在两个视角下均在97%处达到全效率平台，信号电荷与触发条纹数量随增益增加而上升。