北京譜儀的設計與研制（簡體書）

《北京譜儀(BESⅢ)的設計與研制》全面介紹BESⅢ的設計思想、技術路線、研制內容、過程與方法以及測試結果。具體內容包括BESⅢ的物理目標、總體結構、BESⅢ四個子探測器系統及其讀出電子學、超導磁鐵系統、觸發判選系統、數據獲取系統、環境監控系統、離線軟件及海量數據的計算機處理系統等，涉及粒子探測、快電子學、機械、低溫超導、自動控制、計算機技術與軟件等各項技術。
北京譜儀（BESⅢ）是國家大科學裝置——北京正負電子對撞機上的科學研究裝置，是新一代大型通用粒子探測系統，用來探測正負電子對撞的產物并重建對撞過程。根據國內外粒子物理研究的現狀和發展趨勢，特別是在輕強子物理、粲物理、粲偶素物理、物理和量子色動力學的檢驗等方面，我國科學家研究并設立了BESⅢ的物理研究目標，分析研究了具體的技術路線，獨立設計并建造完成了這臺國內最大的單臺科學儀器。其各項指標達到了國際先進水平，部分達到國際最好水平，并有許多獨創的重要設計與制造工藝。
《北京譜儀(BESⅢ)的設計與研制》由參與設計與研制全過程的有關科學家撰稿，對從事核與粒子物理實驗、快電子學、機械、低溫超導、計算機控制與軟件等方面的科研人員和學生具有重要的參考價值，對技術開發人員和科研管理人員也有一定的參考價值。

王貽芳，1963年生于南京，1984年畢業于南京大學物理系原子核物理專業，1991年獲意大利佛羅倫薩大學博士學位。曾先後在美國麻省理工學院、斯坦福大學工作。2001年回國，入選中國科學院“百人計劃”。2002年獲國家自然科學基金委“杰出青年基金”。長期從事粒子物理實驗研究，特別是正負電子對撞物理研究與中微子物理研究。領導完成了新一代北京譜儀(BESIII)的設計與建造，提出了大亞灣中微子實驗的概念并領導了其設計、預研與建造。現任中國科學院高能物理研究所常務副所長、實驗物理中心主任，核探測與核電子學國家重點實驗室主任，中國高能物理學會副理事長，中國核學會與中國電子學會核電子學與核探測技術分會理事長，中國計算機測量與控制學會副理事長。在正負電子對撞物理、中微子物理、探測器設計與建造、數據分析方法等方面發表文章300余篇，主編專著兩部、大型實驗設計報告兩部，申請發明專利兩項。

《北京譜儀(BESⅢ)的設計與研制》為科學專著：大科學工程。

第1章 北京譜儀Ⅲ探測器的物理目標與總體設計
1.1 粲物理
1.2 北京譜儀(BESⅢ)的物理目標
1.2.1 輕強子譜研究
1.2.2 粲偶素物理研究
1.2.3 粲物理研究
1.2.4 量子色動力學和強子產生性質研究
1.2.5 輕子物理研究
1.3 BESⅢ探測器的總體設計

第2章 譜儀機械系統
2.1 設計目標、要求與限制條件
2.2 譜儀軛鐵
2.2.1 桶部軛鐵結構設計
2.2.2 端部軛鐵和移動機構設計
2.2.3 譜儀軛鐵的制造及安裝
2.3 各子探測器的支承結構
2.3 1超導磁體的支承
2.3 2各子探測器的支承結構設計及安裝
2.4 端部量能器及其移動機構
2.4.1 端部量能器結構
2.4.2 端部量能器移動機構
2.5 譜儀總體移動機構
2.5.1 譜儀基座的設計
2.5.2 譜儀總體移動及對撞點就位
2.6 機械總體的技術特點

第3章 主漂移室系統
3.1 物理設計
3.2 機械設計
3.2.1 內室結構
3.2.2 外室結構
3.2.3 內外室連接
3.3 漂移室研究
33.1 模型實驗
33.2 定位子、絲、密封膠、夾絲鉗
3.3.3 機械模型試制和預應力試驗研究
3.4 室體的加工與組裝
3.4.1 室體零件加工
34.2 室體組裝
3.4.3 室體測量
3.5 漂移室布絲
3.5.1 預應力
35.2 蠕變過程計算分析
35.3 布絲機
3.5.4 布絲
3.5.5 張力和漏電流的測量
3.5.6 內室和外筒窗蓋板的安裝
35.7 漂移室的密封
3.6 宇宙線試驗
36.1 宇宙線測試系統的安裝
3.6.2 氣體系統
363掃描測試
3.6.4 測試結果
3.7 漂移室安裝
3.8 運行與性能測試結果
3.9 創新與特點

第4章 主漂移室電子學系統
4.1 設計要求
4.1.1 電荷測量
4.1.2 時間測量
4.1.3 系統設計須考慮的因素
4.2 系統和電路設計
4.2.1 前置放大器
4.2.2 電荷與時間測量插件
4.2.3 校準刻度電路
4.2.4 讀出控制插件(MROC插件)
4.2.5 觸發接口插件(MTI插件)
4，2.6 扇出插件(MF-I插件和MF-Ⅱ插件)
4.2.7 信號電纜
4.3 系統框圖結構和在探測器大廳的布局
4.4 研制進展
4.5 性能指標的測試及結果
4.6 技術特點和創新點

第5章 飛行時間探測器系統
5.1 探測器目標分析
5.2 探測器設計研究
5.2.1 桶部閃爍體的選擇定型
……
第6章 飛行時間探測器電子學系統
第7章 電磁量能器系統
第8章 電磁量能器電子學系統
第9章 u子鑒別器系統
第10章 u子鑒別器電子學系統
第11章 超導磁體系統
第12章 對撞區與本底
第13章 觸發判選系統
第14章 數據獲取系統
第15章 技術支持系統及工藝總體布局
第16章 離線計算機系統
第17章 離線數據處理和分析系統
第18章 安裝調試與運行

“電荷一時間轉換（QTC）”電路采用了基于恒流放電的有源積分電路和過閾甄別相結合的技術路線。基于恒流放電的有源積分器平時通過箝位二極管給恒流源提供電流，將積分器保持在基線電平；信號積分時，箝位二極管截止，進行輸入信號的電荷積分。該技術取消了傳統有源積分電路使用的開關電路，避免了高速開關電路切換帶來的干擾，提高了精度。采用與箝位二極管同一封裝內的二極管進行溫度漂移補償，使高速比較器過閾時間基本不受箝位二極管溫度漂移的影響。
6.4.5 高精度時鐘系統為了達到25ps的時間測量精度，高精度時鐘系統的設計是關鍵。TOF時鐘系統采用了四項重要的技術措施：
（1）使用穩相光纜進行長距離RF（499.8 MHz）信號傳輸，基本消除時鐘信號傳輸的溫度漂移；
（2）ECLinPS電路組成分頻和扇出電路，保證低偏移、低抖動的多通道時鐘信號輸出；
（3）ECLinPS電路組成的同步及同步檢測電路，確保時鐘信號嚴格地與加速器環RF信號及固定束團相位同步；
（4）統一的主、從模塊設計，簡化了設計。
該時鐘系統的性能好于工程指揮部要求的20ps的性能指標。除了滿足TOF讀出電子學需要，該時鐘系統還為整個BESⅢ探測器系統提供了光信號形式的40MHz時鐘基準，是整個BESⅢ探測器系統的時鐘源。