[论文解读] Measurements and simulations of MAPS (Monolithic Active Pixel Sensors) response to charged particles - a study towards a vertex detector at the ILC

L. Maczewski|arXiv (Cornell University)|May 20, 2010

Particle Detector Development and Performance参考文献 24被引用 6

一句话总结

本论文研究了用于国际线性对撞机（ILC）顶点探测器的单片有源像素传感器（MAPS）MIMOSA-5 和 MIMOSA-18，通过束流测试和模拟评估其对带电粒子的响应。结果表明，具有 10–17 μm 像素间距的 MAPS 可实现高精度的簇形状与方向重建，这对于区分束流辐射背景与物理轨迹至关重要，并验证了一种电荷扩散模型，可实现探测器设计中快速而准确的信号模拟。

ABSTRACT

The International Linear Collider (ILC) is a project of an electron-positron (e+e-) linear collider with the centre-of-mass energy of 200-500 GeV. Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) are one of the proposed silicon pixel detector concepts for the ILC vertex detector (VTX). Basic characteristics of two MAPS pixel matrices MIMOSA-5 (17 $μ$m pixel pitch) and MIMOSA-18 (10 $μ$m pixel pitch) are studied and compared (pedestals, noises, calibration of the ADC-to-electron conversion gain, detector efficiency and charge collection properties). The e+e- collisions at the ILC will be accompanied by intense beamsstrahlung background of electrons and positrons hitting inner planes of the vertex detector. Tracks of this origin leave elongated clusters contrary to those of secondary hadrons. Cluster characteristics and orientation with respect to the pixels netting are studied for perpendicular and inclined tracks. Elongation and precision of determining the cluster orientation as a function of the angle of incidence were measured. A simple model of signal formation (based on charge diffusion) is proposed and tested using the collected data.

研究动机与目标

• 评估 MIMOSA-5 和 MIMOSA-18 MAPS 在强束流辐射背景条件下用于 ILC 顶点探测器的适用性。
• 表征关键探测器参数：基线电平、噪声、ADC 到电子的增益、电荷收集效率以及空间分辨率。
• 开发并验证一种用于模拟带电粒子在 MAPS 中响应的简化电荷扩散模型。
• 研究簇的拉长与方向随轨迹入射角的变化，以实现背景抑制。
• 通过比较 10 μm 与 17 μm 像素间距的性能，为低噪声、高空间分辨率顶点探测器的设计提供支持。

提出的方法

• 在 DESY 和 DAFNE 实验设施进行束流测试，使用 120 GeV/c 电子束和 55Fe X 射线源测量探测器响应。
• 采用相关双采样（CDS）技术降低电子噪声并提高信噪比。
• 使用 η-算法进行像素阵列中的簇重建与位置估计。
• 开发基于电荷扩散的信号形成模型，以衰减长度 λ 作为关键参数。
• 通过蒙特卡罗模拟，将预测的簇形状、电荷共享与多极性与实测数据进行比较。
• 利用 55Fe X 射线能谱校准 ADC 输出，并分析像素间的基线与噪声分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 ILC 束流条件下，MIMOSA-5 和 MIMOSA-18 传感器能否可靠地探测并重建带电粒子轨迹？
• RQ2 簇的拉长与方向如何随轨迹入射角变化？该特性是否可用于区分束流辐射产生的电子-正电子对与强子轨迹？
• RQ3 简化电荷扩散模型在多大程度上能准确预测 MAPS 的信号形成，包括簇形状与电荷共享？
• RQ4 像素间距（10 μm 与 17 μm）对空间分辨率与簇重建精度有何影响？
• RQ5 噪声、信噪比与探测效率在 MIMOSA-5 与 MIMOSA-18 之间有何差异？这些差异对 ILC 顶点探测器设计有何启示？

主要发现

• MIMOSA-18 的噪声显著低于 MIMOSA-5，且信噪比更高，10 μm 像素间距可实现更优的空间分辨率与簇形状重建。
• 簇的拉长与方向可精确测量为轨迹入射角的函数，MIMOSA-18 因像素尺寸更小，提供了更高的角度分辨率。
• 采用单一衰减长度 λ 的电荷扩散模型能良好拟合实测的簇形状、多极性与电荷共享，验证了其在完整蒙特卡罗模拟中的适用性。
• 两种传感器的轨迹探测效率均超过 95%，残差分布表明其具备亚像素位置分辨率。
• 该模型能高精度预测簇的多极性与电荷分布，尽管存在微小偏差，提示参数化仍有优化空间。
• 本研究证实，簇形状分析可有效区分顶点探测器中束流辐射诱发的电子-正电子对与次级强子轨迹。