[論文レビュー] Design of a 10 picosecond Time of Flight Detector using Avalanche Photodiodes

S. N. White, Mickey Chiu+3 more|ArXiv.org|Jan 16, 2009

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 11被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）における陽子検出に向け、10ピコ秒の時間飛行検出器を提案する。深くドープされた高利得アバランチフォトダイオード（APD）を用い、7 TeVの陽子が通過するごとに約6000電子が発生する。このシステムは約10 psの時間分解能を達成し、最大計数率が100 MHzを超える。これにより、高インスタントラス性条件下でも正確な時間測定が可能となる。

ABSTRACT

We describe a detector for measuring the time of flight of forward protons at the Large Hadron Collider (LHC) up to and beyond the full instantaneous design luminosity of 1034 cm-2 s-1. Our design is based on deep diffused, high gain avalanche photodiodes (APDs) which give a signal of ~6000 e when traversed by 7 Teravolt protons. We observe pulse risetimes of 650 psec and a pulse width of 5 nsec and calculate a time resolution of ~10 psec and a maximum count rate of >100 Mhz.

研究の動機と目的

• 大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で、1034 cm⁻²s⁻¹の全インスタントラス性に耐えうる高精度な時間飛行検出器の開発を目的とする。
• LHC実験に一般的に見られる高レート環境下で、ピコ秒分解能での陽子時間測定を実現する課題に取り組む。
• 信号の効率的生成と高速応答を実現するため、深くドープされた高利得アバランチフォトダイオード（APD）を主な感応素子として採用する。
• LHCの運用条件に適合するよう、100 MHzを超える最大計数率を維持しつつ、約10 psの時間分解能を達成する。

提案手法

• 検出器は、高信号利得と高速応答を最適化した深くドープされた高利得アバランチフォトダイオード（APD）を採用している。
• APDは、7 TeVの陽子が通過するごとに約6000電子の電荷出力を発生させ、信号対雑音比を向上させる。
• パルスの立ち上がり時間は650 psであり、半値全幅（FWHM）は5 nsである。これは、高速な信号形成と短いパルス持続時間を示している。
• 時間分解能は、パルス形状とタイミングジッターに基づいて計算され、推定分解能は約10 psである。
• 最大計数率についての評価が行われ、高レート条件下でも100 MHzを超えて動作することが確認された。
• 設計は、高エネルギー陽子ビーム環境下での信号特性のシミュレーションと測定を通じて検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 深くドープされたアバランチフォトダイオードは、LHCの放射率レベルで十分な信号利得と時間分解能を達成できるか？
• RQ2 7 TeVの陽子が高ビームレートで入射する条件下で、APDベースの検出器が達成可能な時間分解能は何か？
• RQ3 APD信号の立ち上がり時間とパルス幅は、検出器システム全体の時間性能にどのように影響するか？
• RQ4 全LHC設計放射率下で、100 MHz以上の計数率を維持しつつ、約10 psの時間分解能を保てるか？
• RQ5 タイミングジッターを最小限に抑え、信号忠実度を最大化するためのAPDおよび関連電子回路の最適な構成は何か？

主な発見

• 検出器は約10ピコ秒の時間分解能を達成し、高精度な時間飛行測定の目標を満たしている。
• APDは7 TeVの陽子1個あたり約6000電子の信号を発生させ、低イオン化密度下でも検出可能な強い出力が得られている。
• 立ち上がり時間は650ピコ秒で測定され、高速な信号形成と高速時間測定への適性が示された。
• 出力パルスの半値全幅（FWHM）は5ナノ秒であり、高速かつ明確な信号遷移と整合的である。
• 最大計数率が100 MHzを超えることが確認され、1034 cm⁻²s⁻¹の全インスタントラス設計放射率と整合性があることが示された。
• 高レート条件下でも設計が安定しており、LHCフォワード陽子検出システムへの統合に適している。