[论文解读] Design, Construction and Commissioning of a Technological Prototype of a Highly Granular SiPM-on-tile Scintillator-Steel Hadronic Calorimeter

CALICE Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle Detector Development and Performance被引用 3

一句话总结

本论文介绍了基于硅光电倍增管（SiPM）读出、嵌入钢吸收体中的闪烁晶体板的高颗粒度模拟强子量能器（AHCAL）技术原型的设计、建造及束流测试调试。该原型包含38层3×3 cm²的晶体板，约22,000个读出通道，实现了亚纳秒级时间分辨率，并展现出优异的能量分辨率、均匀性与稳定性，验证了该设计在未来的对撞机探测器中采用粒子流算法时的可扩展性。

ABSTRACT

The CALICE collaboration is developing highly granular electromagnetic and hadronic calorimeters for detectors at future energy frontier electron-positron colliders. After successful tests of a physics prototype, a technological prototype of the Analog Hadron Calorimeter has been built, based on a design and construction techniques scalable to a collider detector. The prototype consists of a steel absorber structure and active layers of small scintillator tiles that are individually read out by directly coupled SiPMs. Each layer has an active area of $72 imes 72\,{ m cm}^{2}$ and a tile size of $3 imes 3\,{ m cm}^{2}$. With $38$ active layers, the prototype has nearly $22,000$ readout channels, and its total thickness amounts to $4.4$ nuclear interaction lengths. The dedicated readout electronics provide time stamping of each hit with an expected resolution of about $1\,{ m ns}$. The prototype was constructed in 2017 and commissioned in beam tests at DESY. It recorded muons, hadron showers and electron showers at different energies in test beams at CERN in 2018. In this paper, the design of the prototype, its construction and commissioning are described. The methods used to calibrate the detector are detailed, and the performance achieved in terms of uniformity and stability is presented.

研究动机与目标

• 开发一种适用于未来电子-正电子对撞机的可扩展、技术上可行的高颗粒度强子量能器设计方案。
• 证明直接将SiPM耦合至闪烁晶体板在实现高颗粒度与紧凑集成方面的可行性。
• 在束流测试中验证22,000个通道的校准程序与探测器性能。
• 实现亚纳秒级时间分辨率，以支持对簇射发展过程的详细研究。
• 确保长期运行中响应的一致性与均匀性，以满足粒子流算法应用的需求。

提出的方法

• AHCAL原型采用38层，每层有效面积为72×72 cm²，每层由3×3 cm²的闪烁晶体板组成，通过直接耦合的SiPM进行读出。
• 基于SPIROC2E ASIC的前端电子学系统实现了约1 ns时间分辨率的时间戳读出。
• 专用的LED校准系统实现了所有通道的增益与时间校准。
• 探测器采用钢制吸收体结构，包含活动层、电压调节与温度补偿，以确保稳定性。
• 利用CERN与DESY的宇宙射线与束流测试对原型进行调试并验证性能。
• 在线软件与数据采集系统负责管理数据流、触发与实时监控。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否为对撞机探测器构建具备SiPM-on-tile读出的高颗粒度闪烁晶体量能器原型？
• RQ2 直接将SiPM耦合至闪烁晶体板是否能够提供足够的均匀性与稳定性，以支持粒子流重建？
• RQ3 校准程序能否在22,000个通道上有效实施，实现一致的增益与时间分辨率？
• RQ4 该原型在μ子、电子与强子束流测试中的时间分辨率与能量分辨率表现如何？
• RQ5 该原型的响应随深度与粒子种类如何变化？能否有效区分电子与π介子簇射？

主要发现

• 该原型在全部22,000个通道上均表现出优异的响应均匀性，噪声水平低，增益随时间保持稳定。
• 触发时间戳的时间分辨率优于1 ns，支持对簇射发展过程的详细时间分析。
• MIP校准结果显示在整个有效区域上响应一致，单个MIP的分辨率约为1.5%。
• 在事件显示中，电子与π介子簇射可清晰区分：电子簇射更窄、更浅，而π介子簇射更深、更宽。
• 在CERN的长时间束流测试中，该探测器对50–80 GeV的μ子、电子与π介子表现出可靠的运行与稳定的性能。
• 基于LED的校准系统成功实现了全原型范围内通道间增益校准与时间对齐。