【摘 要】
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超级陶粲装置（Super Tau-Charm Facility,STCF）是我国继北京正负电子对撞机（Beijing Electron Positron Collider Ⅱ,BEPCⅡ）之后的基于加速器的粒子物理大科学装置的重要选项之一。BEPCⅡ实验在陶粲物理领域取得了大量成果,如陶轻子质量测量、Zc（3900）等新粒子发现、Collins碎裂函数测量等。但由于受到对撞亮度和质心能量的限制,对
【基金项目】
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中国科学技术大学双一流建设专项资金
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超级陶粲装置（Super Tau-Charm Facility,STCF）是我国继北京正负电子对撞机（Beijing Electron Positron Collider Ⅱ,BEPCⅡ）之后的基于加速器的粒子物理大科学装置的重要选项之一。BEPCⅡ实验在陶粲物理领域取得了大量成果,如陶轻子质量测量、Zc（3900）等新粒子发现、Collins碎裂函数测量等。但由于受到对撞亮度和质心能量的限制,对于一些重大物理课题,BEPCⅡ的数据难以给出圆满的解释与回答。对此,我国科学家提出了建设新一代高亮度正负电子对撞机（超级陶粲装置,STCF）的设想。STCF的设计对撞亮度大于0.5 × 1035 cm-2 s-1,相比BEPCⅡ提升了两个数量级,对撞质心能量也拓展到2-7GeV。STCF的运行将为陶粲物理和强子物理研究提供独特的平台,将延伸我国在该领域的国际引领地位。电磁量能器（Electromagnetic Calorimeter,ECAL）,作为 STCF 探测谱仪重要的子探测器之一,其核心任务是对光子进行精确探测。对于传统的电磁量能器而言,能量分辨率和位置分辨率是最重要的指标,而时间分辨率的重要性则相对较低。但在面对复杂的本底环境时,STCF ECAL若能同时获取光子的能量信息和时间信息,则可以对本底进行有效抑制。所以,光子的能量、位置和时间都是STCF ECAL重点关注的物理量。针对STCF实验超高对撞亮度所带来的高事例率情况,纯碘化铯（pure CsI,pCsI）由于其响应速度快、抗辐照性能好等优点被选作为ECAL的闪烁晶体;为弥补pCsI光产额偏低的缺陷,大面积雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode,APD）由于其具有一定的内部增益而被选作为ECAL的光电转换器件。基于pCsI与APD组成的探测单元,STCF ECAL读出电子学的任务是在高事例率环境下,提取到高精度的粒子能量信息和时间信息。但由于pCsI光产额较低、以及APD结电容和漏电流较大,读出电子学需要进行低噪声设计以满足STCF ECAL的高精度测量需求。面对以上读出电子学需求,本文调研了目前仍在运行中且工作能区与STCF接近的正负电子对撞机实验,重点关注了其电磁量能器的读出电子学架构和信息提取方法。在系统地研究分析所调研的电子学后,本文分别对粒子能量测量方法、粒子时间测量方法、以及高事例率下的信号处理方法进行了详细讨论与仿真,并通过实验验证,确定了电荷灵敏放大器（Charge Sensitive Amplifier,CSA）结合波形拟合算法提取相关信息的读出电子学方案。在确定读出电子学方法之后,本文设计了 STCF ECAL的读出电子学系统架构,按照模块化、可扩展的设计原则,STCF ECAL读出电子学主要分为前端信息提取部分和后端数据汇总部分。为进一步验证该读出方案的可行性,本文设计了原型读出电子学系统。原型电子学共包含9路前端电子学模块（Front-end Electronics Module,FEM）和 1 路信号处理模块（Signal Processing Module,SPM）,可实现3×3晶体阵列的读出。此后,本文进行了电子学测试、探测器联合测试、宇宙线测试以及高本底模拟测试,对该原型电子学的性能进行了验证。电子学测试结果表明,原型电子学工作正常,在输入空载的情况下噪声小于0.31 fC,动态范围可达2500 fC,积分非线性不超过0.16%。探测器联合测试结果表明,连接探测器后的系统噪声不超过0.8fC,满足实验需求。此外,原型电子学通过宇宙线测试实现了 155 p.e./MeV的荧光产额,系统等效噪声能量小于645 keV。时间测量方面,原型电子学在等效1 GeV沉积能量下实现了 165 ps的定时精度,满足实验需求。本底处理方面,本文通过搭建基于LED的本底模拟测试平台,得到原型电子学在1.5 MHz的本底环境中能量测量精度未明显变差,证明该读出方法能够消除高事例率的影响。本工作针对STCFECAL高事例率环境下的高精度能量、时间测量需求,研究并设计了读出电子学方案,同时结合原型电子学系统验证了该方案的可行性,为未来STCF ECAL的研制提供了技术基础。
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