BESⅢ主漂移室的精确模拟

　　漂移室是粒子物理实验中广泛使用的探测设备,用以精确测量带电粒子的飞行径迹和在气体中的电离能损,从而提供粒子的动量和dE/dX信息。BESIII[1]是即将运行在改造后的北京正负电子对撞机BEPCII上的一个全新的高精度探测器,总体设计性能比BESII[2]有很大提高。主漂移室(MDC)是BESIII的径迹子探测器,采用了全新的设计以达到更高的性能。对MDC进行既精确又可靠稳定的模拟,对完成BESIII的物理任务具有重要的意义。

　　BESII MDC的模拟是模拟程序SIMB-ES[3]的一部分,基于Geant3[4]和Fortan77开发,在模拟中对斜丝层和丝物质的处理采用了一些近似的处理方法。BESIII探测器模拟系统BOOST[5]采用基于Geant4[6]和C++语言进行面向对象方法开发的方案。这套方案给模拟程序的开发提供了更强大的功能和更方便的编程环境。基于以上考虑,我们决定在BESIIIMDC模拟中对漂移室的几何和物质采用更为精确的方案以适应更高设计性能的要求。本文将结合MDC的设计结构详细介绍模拟的方法和结果。

　　1　MDC的几何和物质

　　MDC位于BESIII探测器最内层。为给BESPCII安装对撞点磁铁留出空间同时又要有尽可能大的立体覆盖角,采用了分段阶梯型的设计。总体结构如图1所示。内室内直径为118mm,外室外半径为810mm,最长有效长度为2306mm,立体覆盖角cosθ=0.93。

　　MDC沿径向共有43个信号读出层,其中内室8个,外室35个,丝层结构如图2左图所示。相邻丝层共用场丝,每四个信号读出层为一超层,超层单元内单元数相同,相邻超层相错半个单元。采用斜丝层设计测量带电径迹在z向的位置。斜丝设计为固定一个端点,将丝绕z轴旋转若干单元得到另一个端点,同层的斜丝在空间形成回旋双曲面。

　　漂移单元基于小单元设计。在每个小单元中,信号丝位于单元的中心位置,四周有8根场丝,相邻单元共用场丝,如图2右图所示。为保证每个单元电场的一致性,单元的半高宽(场丝与信号丝之间的距离)之比接近于1。外室单元半宽平均值为8.1mm。考虑在有限的半径范围内多安排丝层,内室的单元半宽平均值为6mm。

　　为尽量减少多次库仑散射的影响,需要尽可能的使用低Z材料。MDC工作气体采用配比为60%He + 40%C3H8的氦基气体。灵敏丝选用25μm的镀金钨丝,场丝选用110μm的镀金铝丝。内外筒本体采用碳素纤维,端盖材料为铝。

　　2　MDC模拟

　　完整的模拟包括产生子、虚拟探测器构建、粒子输运与击中输出等部分。公共部分如产生子和粒子输运等在BOOST中由单独的功能模块完成。对于每个子探测器,其主要任务是构建模拟真实探测器几何与物质的虚拟探测器。虚拟探测器描述包括探测器中每个部分的形状、尺寸、材料、空间位置,各部分之间的逻辑关系(如包含与被包含的关系)等,并标记对实际获取数据起作用的灵敏探测器部分。在Geant4中使用Solid类来描述具有具体几何形状和尺寸的几何单元,对几何单元定义材料、灵敏探测器以及图形显示等属性构成LogicalVolume类,最后定义各Logical Volume之间的逻辑关系、空间位置从而构成代表实际探测器单元的Physical Volume类。其构建过程如图3所示。