[논문 리뷰] SciFi: A large Scintillating Fibre Tracker for LHCb

P. Hopchev|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 23.

Particle Detector Development and Performance인용 수 3

한 줄 요약

LHCb SciFi 트래커는 기존의 트래킹 시스템을 대체하기 위해 250µm 지름의 섬세한 섬유를 사용한 큰 균일한 형광 섬유 검출기로 구성되며, 냉각된 실리콘 포토멀티플라이어(SiPMs)와 고유의 ASIC를 통해 신호를 읽는다. 이는 시험비드에서 70µm의 공간 해상도, 99%의 히트 효율성, 16개의 광전자를 얻는 빛 수확량을 달성하며, 수명 기간 동안 35kGy의 방사선 선량과 10¹² neq/cm²의 중성자 유량에 견디는 방사선 내성 설계를 갖추고 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 증가된 루미노시티와 40MHz 트리거 없는 읽기 방식을 처리하기 위해 LHCb 주요 트래킹 시스템을 단일 균일한 형광 섬유 트래커로 교체한다.
• 1%의 재료 예산(층당)으로, 굽힘 방향에서 100µm 이하의 공간 해상도를 확보한다.
• 35kGy 이온화 선량과 10¹² neq/cm² 중성자 유량을 포함한 높은 방사선 조건에서도 장기적인 성능을 확보한다.
• 냉각된 SiPM과 교차 캐리지가 감소된 섬유 매트를 포함한 방사선 내성 구성 요소를 개발한다.
• 2019년 LHCb 업그레이드를 위해 590,000개의 채널을 전면적으로 일괄 생산 및 통합한다.

제안 방법

• TiO₂ 도핑된 에폭시 접착제를 사용해 6층의 250µm 지름 SCSF-78MJ 섬유로 구성된 2.4m 길이의 형광 섬유 매트를 제작하여 광학적 교차 캐리지 효과를 억제한다.
• 매트의 한쪽 끝에서 128채널 SiPM 어레이를 유연 케이블에 접합하여 신호를 읽고, 반대편 끝에 거울을 통해 빛을 수집한다.
• 3D 프린팅된 티타늄 냉각 바를 사용해 SiPM를 -40°C로 냉각하여 중성자 조사 후 어둠계수율을 저감한다.
• PACIFIC ASIC를 통해 전증폭, 빠른 형상 조정, 이중 게이팅 통합을 수행하며, 거의 0에 가까운 사각지대를 확보한다.
• 삼중 임계값 조절 가능한 비교기로 신호를 디지털화하고, 클러스터화 보드의 FPGA에서 데이터를 클러스터화한 후 광학 전송을 통해 DAQ로 전달한다.
• 정렬된 섬유 매트를 꿀벌집/탄소섬유 패널에 접착하여 검출기 모듈을 제작하고, 정밀 조립을 위한 기준 정렬 핀을 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 형광 섬유 트래커는 높은 방사선과 입자 다중성 조건에서도 100µm 이하의 공간 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 이온화 선량과 중성자 유량으로 인한 방사선 유도 열화 영향(섬유의 투과도 저하, SiPM 어둠계수율 증가)이 검출기 수명 기간 동안 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 냉각된 SiPM가 10¹² neq/cm² 중성자 유량 조건에서 4.5광전자 임계값을 갖는 40MHz 읽기 방식에서 충분한 신호 대 잡음비를 유지할 수 있는가?
• RQ4 비드 테스트 조건에서 전체 규모의 프로토타입에서 측정 가능한 빛 수확량과 위치 해상도는 얼마인가?
• RQ5 모듈식이고 일괄 생산 방식이 1%의 재료 예산(층당)을 유지하면서 590,000개의 채널에서 일관된 성능을 보장할 수 있는가?

주요 결과

• CERN 및 DESY에서의 프로톤/파이온 및 전자 비드 테스트 캠프에서 SciFi 트래커는 70µm의 공간 해상도를 달성했다.
• 설계 목표를 충족하기 위해 1MeV의 에너지 손실당 평균 16광전자의 빛 수확량을 측정했다.
• 시험비드 및 실험실 측정에서 히트 효율성이 99%로 확인되었으며, 방사선 조사 후에도 유지되었다.
• 중성자 유량 6×10¹¹ neq/cm² 조건에서 -40°C에서 SiPM 어둠계수율이 채널당 14MHz에 도달했지만, 4.5광전자 클러스터 임계값 덕분에 관리 가능한 수준을 유지했다.
• 35kGy 이온화 선량 조건에서 내측 영역의 섬유 투과 길이가 최대 40% 감소했지만, 빔 파이프에서 50cm 떨어진 곳에서는 영향이 최소한이었다.
• 590,000채널을 포함한 전체 검출기 시스템은 일괄 생산 중이며, 2019년 LHCb 업그레이드를 위해 설치될 예정이다.