【正文】 電子學(xué) 主漂移室電子學(xué) 設(shè)計目標主漂移室（MDC）電子學(xué)系統(tǒng)是用來接收主漂移室6796根信號絲的輸出信號，并經(jīng)過一系列處理后將數(shù)據(jù)傳送至在線數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)作進一步分析處理。其主要任務(wù)可歸結(jié)為：① 精確測量對撞產(chǎn)生的次級粒子在穿過室本體時所產(chǎn)生的電離電子到陽極絲（信號絲）的漂移時間，從而給離線分析提供粒子穿過室本體時在(r，f)平面中的位置信息，以確定粒子在室體中飛越的徑跡和動量。粒子在Z向的位置坐標由斜絲法通過離線分析給出，其R向位置則由信號絲的徑向坐標給出。② 測量陽極絲（信號絲）輸出信號所攜帶的電荷量，以確定粒子穿過室本體時的能量損失dE/dx，從而鑒別粒子種類。③ 給觸發(fā)判選系統(tǒng)（Trigger）提供各個漂移單元信號絲的命中信息，作為其一級判選的依據(jù)之一。④ 接受觸發(fā)判選系統(tǒng)的判選結(jié)果，若判選有效，則將所得數(shù)據(jù)緩存以便讀出，否則則將所得數(shù)據(jù)適時予以丟棄。1. 電荷測量表征電荷測量性能的基本設(shè)計指標主要包括電荷分辨、動態(tài)范圍和積分非線性等項，現(xiàn)分別簡述如下。(1) 電荷分辨按MDC室本體的設(shè)計，在所選用的氣體和工作條件下，對最小電離粒子的最可幾能量損失的dE/dx分辨要求達到= 6%。該項分辨主要由兩部分組成：室本體的貢獻和電子學(xué)的貢獻。室本體固有的能量分辨是系統(tǒng)dE/dx分辨的主要貢獻者。為了盡量減少電子學(xué)系統(tǒng)對dE/dx分辨的影響，總體設(shè)計要求其貢獻應(yīng)小于室本體貢獻的15%。按此要求，容易算得電子學(xué)系統(tǒng)的貢獻應(yīng)滿足：MDC 設(shè)計成階梯狀圓桶形小單元結(jié)構(gòu)，從內(nèi)到外有按同心元結(jié)構(gòu)組成的43 個信號絲層。這樣對于一個沿徑向穿過的徑跡可得43 次取樣。由于粒子穿過室體時的能量損失服從Landau分布，能量損失的高端有很長的尾巴。通常在考慮能量分辨時，對這些高端信號要作高端截斷處理，截端平均可按70%考慮。設(shè)單個通道電子學(xué)電荷測量的分辨為，則在考慮截斷平均后，%，則應(yīng)有：由此得：≈5%MDC在設(shè)計的工作參數(shù)下其最小電離粒子的最可幾輸出電荷量根據(jù)估算約100fc， 故單個通道的電荷分辨寫成以電荷量為單位的形式則有： 這實際上就是系統(tǒng)等效輸入噪聲電荷的設(shè)計值。(2) 動態(tài)范圍在電子學(xué)系統(tǒng)和室本體聯(lián)機情況下，電子學(xué)輸入端的等效輸入噪聲電荷將主要由MDC信號絲的單絲輸出噪聲電荷所決定?？紤]到后者的貢獻比每道電子學(xué)的要大得多，因此量程低端可取為15fc。如前所述，粒子穿過室體時的電離能量損失服從landau分布，由于這一分布的范圍很寬，電荷測量的動態(tài)范圍不可能覆蓋這一能量損失的全部范圍。如前所述，與這一分布的峰值相應(yīng)的最小電離粒子的最可幾輸出電荷量約100fc，參考BESII MDC多年來dE/dx測量的結(jié)果， BESIII MDC 電荷測量的高端可按1800fc考慮。(3) 積分非線性在滿量程范圍內(nèi)(15fc1800fc)，積分非線性可控制在 INL 163。 2 %。必要時可進行二次項非線性修正，以提高線性度。非線性修正的工作可由數(shù)據(jù)讀出機箱的主控制器PowerPC 來完成。1. 時間測量(1) 時間分辨如前所述，漂移室通過測量漂移時間來確定粒子穿過室體時的徑跡。按總體設(shè)計要求，徑跡測量的定位誤差要求達到 =130μm 該項誤差主要由兩部分構(gòu)成：一部分是室本體單絲空間分辨的貢獻，該項貢獻主要是由電離電子在向陽極絲漂移過程中的擴散效應(yīng)等所造成。另一部分則是單個通道電子學(xué)對位置分辨的貢獻。若取 15%180。，則有 按BESIII MDC 的設(shè)計，在所選用的氣體和電場條件下，電離電子在室體中的漂移速度為30μm/ns。因此，將時間分辨的設(shè)計目標確定為： 上面討論的電子學(xué)的時間分辨實際上源于四部分：① 正、負電子束團在Z向（束流方向）展開所造成的對撞時刻的不確定性，從而造成對撞所產(chǎn)生的次級粒子出射時刻的不確定性。按BEPCII的設(shè)計，束團在Z向展開的長度sz = ，因此，粒子出射時刻的不確定性為： 式中c是光速。對于漂移室的時間測量來說，該項誤差可以忽略不計。② 低閾前沿甄別由于幅度效應(yīng)所造成的定時誤差。漂移室輸出信號的動態(tài)范圍大，估計由此造成的定時誤差 st2 ≈1ns。這部分誤差在離線分析時可用測得的電荷量進行修正，因此這一誤差對時間分辨的影響這里可不予考慮。 ③ 噪聲在信號上的迭加所造成的定時時刻的晃動。這一噪聲主要源于室本體的信號絲和前置放大器以及后續(xù)電子學(xué)處理電路。由噪聲造成的定時時間晃動估計可控制在不大于100ps，對時間分辨的影響基本可忽略不計。 ④ TDC測時誤差 st3 。這是電子學(xué)時間分辨的主要來源。利用基于CERN HPTDC芯片設(shè)計的時間測量電路，由于芯片本身的測時誤差即便是工作在低分辨模式也可以達到250ps左右，因此電子學(xué)系統(tǒng)的時間分辨（不計定時誤差）。(2) 量程時間測量的量程由電離電子在室本體中的漂移時間決定。當粒子擊中信號絲，電離電子的漂移時間幾乎為0；當粒子從小單元一個頂角的內(nèi)側(cè)穿過，則有最大漂移時間～350ns（詳見下節(jié)討論）。為留有余地，時間測量的量程取為0400ns。(3) 積分非線性在量程范圍（0－400ns）內(nèi)，積分非線性可控制在INL 163。 ％。必要時可利用PowerPC在數(shù)據(jù)讀出過程中進行二次項非線性修正，以提高線性度。 系統(tǒng)設(shè)計考慮設(shè)計中的BEPCII將采用多束團運行，對撞周期為8ns，而觸發(fā)判選系統(tǒng)一級判選所需要的時間（Trigger latency），遠大于對撞周期，因此電子學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計必須采用流水線技術(shù)，高速地將每次對撞可能產(chǎn)生的信息進行適時獲取和暫存，根據(jù)有無觸發(fā)判選信號到來再決定與之相應(yīng)的信息的取舍，這樣才能不丟失好事例信息。BEPCII的設(shè)計亮度將達到11033/cm2/s，漂移室又處在譜儀內(nèi)層，緊靠對撞點，信號絲擊中率高，電子學(xué)系統(tǒng)所要處理的信息量很大，因此電路設(shè)計必須采用多級并行處理，才能有效地減少系統(tǒng)死時間。MDC采用小單元結(jié)構(gòu)。根據(jù)MDC的設(shè)計參數(shù)。漂移距離是一個隨機量，取決于正負電子對撞所產(chǎn)生的次級粒子的入射位置。顯然，最大漂移距離約為半個對角線的長度，即1/2 （162+162）1/2 = 。不考慮擴散和電場不均勻性的影響，可得電子在室中最大漂移時間為：=考慮到外層單元尺寸略大，并考慮到由于電、磁場的影響，電子的漂移軌跡并非直線，故可取最大漂移時間為： = 450ns16mm 16mm MDC 一個測量單元的示意圖 場絲 信號絲 單個電離電子漂移到陽極絲附近時在強電場的作用下由于雪崩過程而在陽極絲上產(chǎn)生1/t電流波形，可表示為： i(t) = k式中，k是常數(shù)，由漂移室的工作參數(shù)決定；t0是室的特征時間常數(shù)，根據(jù)MDC的設(shè)計，t0 ≈。i(t)，其后沿的緩慢下降是由于雪崩形成的正離子團向陰極絲的緩慢運動所造成。 信號絲單個電離電子輸出波形i(t)0 T由上式可知，該電流下降到峰值的1%以下所需時間約250ns。信號絲的實際輸出波形，就是由若干這樣的單個電離電子所形成的1/t波形的迭加。我們用garfield程序?qū)谓z輸出波形進行了仿真。圖中若干電流尖峰正是這種1/t波形相迭加的結(jié)果。 實際輸出波形的寬度與粒子的入射位置有關(guān)，觀測顯示，這一寬度大體上符合下面的關(guān)系： = (ns)式中，是徑跡中距離陽極絲最遠的電離電子的漂移時間，是距陽極絲最近的電離電子的漂移時間。 BESIII MDC 絲信號仿真一例 顯然，當徑跡穿過一個探測單元的對角線時，①所示，這時輸出信號有最大寬度： = 4000+250 = 650ns這與計算機實際仿真結(jié)果相一致。 ②