[論文レビュー] SciFi: A large Scintillating Fibre Tracker for LHCb

P. Hopchev|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2017

Particle Detector Development and Performance被引用数 3

ひとこと要約

LHCb SciFiトラッカーは、250µm径の繊維を用いた大型で均一なシンチレーティングファイバー検出器を用いて、既存のトラッキングシステムを置き換える。冷却されたシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）とカスタムASICにより信号を読み取る。テストビームで70µmの空間分解能、99%のヒット効率、16光電子の光出力が達成され、寿命期間中に35kGyの線量と10¹² neq/cm²のニュートロンフラクチュアに耐える放射線耐性設計を備える。

ABSTRACT

The LHCb detector will be upgraded during the Long Shutdown 2 (LS2) of the LHC in order to cope with higher instantaneous luminosities and to read out the data at 40 MHz using a trigger-less readout system. The current LHCb main tracking system will be replaced by a single homogeneous detector based on scintillating fibres. This contribution gives an overview of the scintillating fibre tracker concept and presents the experience from the series production complemented by most recent test-beam and laboratory results.

研究の動機と目的

• 増加する全ラミニosityと40MHzのトリガーレス読み出しに対応するため、LHCbのメイントラッキングシステムを1つの均一なシンチレーティングファイバー・トラッカーに置き換える。
• 1%の材料バジェット（1層あたり）で、曲げ方向に100µm未満の空間分解能を達成する。
• 35kGyの線溶性線量と10¹² neq/cm²のニュートロンフラクチュアを含む高放射線環境下でも長期的な性能を確保する。
• 冷却されたSiPMやクロストーク低減ファイバー・マットを含む放射線耐性部品を開発する。
• 2019年の検出器アップグレードに向け、590,000チャンネルの完全なシリアル生産と統合を実現する。

提案手法

• TiO₂ドープエポキシ接着剤を用いて、6層の250µm径SFSF-78MJ繊維を組み合わせた2.4m長のシンチレーティングファイバー・マットを構築し、光学クロストークを抑制する。
• 各マットの一方の端に128チャンネルのSiPMアレイをフレキシブルケーブルにボンディングし、反対側にミラーを設置して光を集光する。
• 3Dプリントされたチタン製コールドバーを用いてSiPMを-40°Cに冷却し、ニュートロン線量照射後のダークカウントレートを低減する。
• PACIFIC ASICにより、プリアンプ、高速シャープング、二重ゲート統合を実行し、ほぼゼロのデッドタイムを実現する。
• 三段階しきい値が調整可能なコンパレータを用いて信号をデジタル化し、クラスタライゼーションボード上のFPGAでデータをクラスタ化した後、DAQへの光信号伝送を実行する。
• アライメントピンを備えたハニカム／カーボンファイバー・パネルに、整列したファイバー・マットをボンディングして検出器モジュールを設計する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模なシンチレーティングファイバー・トラッカーは、高放射線および高粒子多重度下でも100µm未満の空間分解能を達成できるか？
• RQ2 線量とニュートロンフラクチュアによる放射線劣化効果（線溶性線量とニュートロンフラクチュア）が、ファイバーの光吸収率とSiPMのダークカウントレートに及ぼす影響は何か？
• RQ3 冷却されたSiPMは10¹² neq/cm²のニュートロンフラクチュア下でも、4.5光電子のクラスタしきい値を満たすのに十分な信号対雑音比を維持できるか？
• RQ4 ビームテスト条件下で、フルスケールプロトタイプの光出力と位置分解能はどの程度達成できるか？
• RQ5 モジュラーでシリアル生産可能なアプローチにより、1%の材料バジェット（1層あたり）を満たしながら590,000チャンネルで一貫した性能を確保できるか？

主な発見

• CERNおよびDESYでの陽子／パイオンおよび電子ビームを用いたテストビームキャンペーンで、SciFiトラッカーは70µmの空間分解能を達成した。
• 設計目標を満たす1MeVのエネルギー損失あたり16光電子の顕著な光出力が測定された。
• 照射後もテストビームおよびラボ測定で99%のヒット効率が確認された。
• 6×10¹¹ neq/cm²のニュートロンフラクチュア後、-40°Cで1チャンネルあたり14MHzのダークカウントレートに達したが、4.5光電子のクラスタしきい値のおかげで管理可能であった。
• 35kGyの線溶性線量後、内側領域でファイバーの光吸収長が最大40%劣化したが、ビームパイプから50cm離れた領域ではほとんど影響がなかった。
• 590,000チャンネルを含むフル検出器システムは、すでにシリアル生産が進行中であり、2019年にLHCbアップグレード用に設置予定である。