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基于CMOS像素的北京正负电子对撞机Ⅱ的BES-Ⅲ谱仪内层径迹探测器的开发

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Contents

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Abstract

摘要

Résumé en Fran?ais

Introduction

Chapter 1 Detectors and physics in the BES-Ⅲ experiment at BEPC-Ⅱ

1.1 Physic of BESⅢ experiment

1.1.1 Studies of electroweak interactions

1.1.2 Studies of strong interactions

1.1.3 Searches for new physics

1.2 Beijing Electron Positron Collider Ⅱ

1.3 The current design of BESⅢ

1.3.1 Multilayer drift chamber

1.3.2 Time of flight system

1.3.3 CsI(T1) electromagnetic calorimeter

1.3.4 Muon identifier

1.4 Ageing effect of MDC in BES-Ⅲ

1.5 Summary and Conclusion

Chapter 2 CMoS Pixel Sensor

2.1 Particle interactions with matter and detecting principles of CPS

2.1.1 Electronic energy loss of charged particles

2.1.2 Radiative energy loss of e+/e-

2.1.3 Radiative energy loss of muons

2.1.4 Energy loss of photons

2.1.5 Small-angle multiple scattering

2.1.6 CPS detection principles

2.1.7 CPS noises

2.2 CPS chip design of MIMOSA series

2.2.1 Readout architectures in Pixel level

2.2.2 Readout architectures in Chip level

2.2.3 Upgraded designs

2.3 CPS Chip design of ALPIDE series

2.4 Sensor characterisation and test methods

2.4.1 Laboratory calibrations

2.4.2 Beam test

2.4.3 Probe test

2.5 Summary and Conclusion

Chapter 3 Sensor design optimization for BESⅢ

3.1 Detector requirements and CPS design consider-ations

3.2 Beam tests for CPS towards a large pixel pitch

3.2.1 SALAT beam Test

3.2.2 FSBBbis Test

3.3 Summary and Conclusion

Chapter 4 Tracking Algorithms

4.1 The generalized least squares fitting

4.1.1 Variables and notations

4.1.2 Fitting tracks without multiple scattering

4.1.3 Chi-square fitting with Multiple scattering

4.2 Kalman Filter

4.2.1 The Discrete Kalman Filter

4.2.2 Derivations using conditional probability density

4.2.3 The figure of merit in tracking

4.2.4 Smoothing

4.2.5 Applications in tracking

4.3 Tracking efficiency estimation

4.3.1 Pileup Probability

4.3.2 Probability of finding the correct hit

4.3.3 Estimation on tracking efficiency

4.4 Summary and conclusion

Chapter 5 BESⅢ CPS Inner tracker design and optimization

5.1 Ladder design

5.2 Geometry optimization for tracking

5.2.1 Curvature variance and the optimal spacing without multiple scattering

5.2.2 Numerical geometry scan with multiple scattering involved

5.2.3 Application on BESⅢ Silicon pixel tracker

5.3 Geometry optimization for vertexing

5.3.1 Radii optimization in a telescope system

5.3.2 Pointing resolutions of straight tracks

5.3.3 Pointing resolutions from parabola tracks

5.4 The performance including MDC outer chamber

5.5 Summary and Conclusion

Chapter 6 Full Monte-Carlo Simulation studies on CPS inner tracker

6.1 Software for the standalone simulation of the inner tracker

6.2 Simulations in BESⅢ offline software system

6.2.3 Simulation Samples and results

6.3 Summary and Conclusion

Conclusions and Perspectives

Appendix

Bibliography

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摘要

BES-Ⅲ探测器是一个安装于北京正负电子对撞机BEPCⅡ上的通用粒子谱仪。在(Τ)-粲物理能区对标准模型的精确检验以及新物理的研究中,BESⅢ都做出了重要贡献。但负责径迹重建的主漂移室内室由于老化作用性能严重降低,影响了探测精度和径迹重建效率。另一方面,用于粒子物理实验的高精度低功耗的轻薄CMOS像素传感器(CPS)在国外的研发已经成熟并得到了相对论重离子加速器的STAR实验验证,使得这一技术研发的探测器成为BESⅢ内层寻迹器升级的重要候补方案。而针对像素探测器的研究,中国尚处于起步阶段。
  为了探究CPS在BESⅢ实验中应用的可行性,并推动中国的硅像素探测器技术的发展,本文对当前主流的CPS设计方案进行了调研,测试分析了法国IPHC研究所最新研发的传感器并优化了硅寻迹探测器的设计方案。其中,相关束流测试结果证明,基于逐行扫描的帧读取模式可以实现10μm空间分辨率、约20.8μs读取时间及80mW/cm2左右功耗的几平方厘米大小的CPS芯片。这种低功耗、高集成度、高分辨率的单片式像素传感器可以构建几平方米面积的高分辨率径迹探测器。此外,本文对于硅像素探测器几何结构的优化工作形成了一套针对桶部硅寻迹器的较完整的设计优化策略,并实现了包括基于各种径迹拟合算法的性能计算、基于递归树及探测器布局排列扫描的几何优化和基于Geant4的模拟验证在内的全功能软件。在芯片空间分辨率约10μm、每层探测器厚约0.36%X0的条件下,相应的方法和软件被应用于BESⅢ的硅像素寻迹探测器的研发,确定了3个探测层沿寻迹器桶部径向均匀排布为针对BESⅢ实验末态带电粒子的动量分布的最优设计方案,且其性能完全符合实验需求。
  在与IPHC研究所的合作中,本文在芯片开发测试的相关工作打破了国内此类研究的空白,而关于硅探测器几何最优化的相关研究回答了BESⅢ内层寻迹探测器设计的关键问题,并对未来环形正负电子对撞机(CEPC)实验中寻迹探测器的设计优化提供了经验和可靠的研究方法。

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