板状闪烁体Shashlik型取样量能器刻度重建方法及模拟的研究

In the high energy physics experiment, the accurate measurement of photon and electron plays an essential role for the physics experimental research. The main function of electro-magnetic calorimeter is to accurately measure the energy and position of photon or electron, and electron identification. Under the condition that the detector space is unrestricted, the high performance and low cost of the plate scintillator Shashlik sampling calorimeter can determine the wide application of this technology. Shashlik technology was used for the forward electromagnetic calorimeter of PANDA fixed target experiment in Darmstadt, Germany. In order to meet the requirements of the PANDA experiment, this application selects the offline data calibration and reconstruction algorithm of Shashlik sample electromagnetic calorimeter, and detector simulation as the research content. According to the working principle of the detectors and electronics, based on the existing software platform, the research will be performed for the response in the detector and the signal transport process, to improve the energy resolution, the efficiency of the photon reconstruction and electron identification ability. The systematic error will be reduced through the accurate simulation of detector and the software implementation will be completed . This study not only promotes the international competitiveness of PANDA physical achievements, but it also reserves the knowledge for future development of detectors in China.

在高能物理实验中，光子电子的精准测量是实验物理研究的关键。电磁量能器的主要作用是精确测量光子电子的能量和位置，以及电子鉴别。在探测器空间不受限制的条件下，板状闪烁体Shashlik型取样量能器的高性能、低造价，决定了该技术的广泛应用。德国PANDA固定靶实验的前向电磁量能器采用了Shashlik技术。为了满足PANDA实验感兴趣物理道的要求，本申请选择Shashlik型取样电磁量能器的离线数据刻度和重建算法，以及探测器模拟为研究内容。根据探测器和电子学的工作原理，基于已有软件平台，对粒子在探测器中的响应和信号输运过程进行研究，达到提高能量分辨、光子重建效率和电子鉴别能力的目的，通过精准的模拟提高系统误差，并完成软件的实现。本研究不仅对提高PANDA物理成果的国际竞争力产生促进作用，同时为国内将来探测器的发展储备经验知识。

在高能物理实验中，光子电子的精准测量是实验物理研究的关键。电磁量能器的主要作用是精确测量光子电子的能量和位置。根据探测器和电子学的工作原理，基于已有软件平台，对粒子在探测器中的响应和信号输运过程进行研究，达到提高性能的目的，通过精准的模拟提高系统误差，并完成软件的实现。为了满足PANDA实验感兴趣物理道的要求，本项目对离线刻度、重建算法和探测器模进行了细致地研究。本研究不仅对提高PANDA物理成果的国际竞争力产生促进作用，同时为国内将来探测器的发展储备经验知识。.主要完成情况如下：（1）离线刻度。利用pi0衰变两光子产生独立簇射的样本，将两簇射的不变质量刻度到PDG值，得到探测单元的刻度常数。桶部端盖边缘处严重的能量泄露使pi0刻度出现问题。为了解决该问题，采用簇射中种子列、及其内侧和外侧沉积能量的关系，修正边缘泄漏能量。最终使pi0刻度顺利完成。（2）重建算法。能量修正:探测单元光输出不均匀性的修正，将1GeV光子能量分辨提高了12.5%，探测单元间隙的能量泄露修正使能量分辨又提高了3%。位置修正：修正后的重建位置与预期位置之差平均值更加接近0，位置分辨稍微改善。簇团劈裂方法：根据模拟单光子簇射横向发展Ei/Eshower随r的函数关系，用种子探测单元的能量估算簇团能量，得到新的劈裂函数，改进后pi0质量分辨在动量大于3.5GeV/c2改善~7%。Merged pi0重建：利用merged pi0和光子簇团的二阶矩的差别与质量、能量的关系，并考虑光子二阶矩与极角的函数关系，给出了7GeV merged pi0不变质量的重建。（3）探测器模拟。桶部量能器几何模拟：根据实际设计参数，对探测单元包装材料、碳纤维蜂窝、热传导片、支撑材料及桶部前端热绝缘内桶给出真实的模拟。为刻度重建的研究提供更好的软件基础。电子学数字化：完成了shashlik前向取样型量能器、后端盖量能器电子学数字化。对于前向取样型量能器，完成了数字化波形的产生、真实噪声的模拟、FPGA中参数提取算法。PANDA探测器没有硬件触发，事例率大于一定频率时，会发生信号堆叠。软件上实现了堆叠事例的处理，即在信号产生过程中能够产生堆叠的波形，在参数提取过程中有效提取出堆叠信号的信息。软件上使用基于面向对向的设计语言，实现了算法与基本框架代码分离，以及采用良好接口对算法进行设计的原则。具有良好的灵活性和可扩展性。