[论文解读] SiPM non-linearity studies in beam tests with scintillating crystals

Zhiyu Zhao, Dejing Du+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2026

Radiation Detection and Scintillator Technologies被引用 0

一句话总结

该论文量化了高像素密度SiPM在与BGO/BSO晶体耦合、束流测试条件下的非线性行为，使用双端读出和钨先 shower 以达到大能量沉积，并在广泛动态范围内标定光电子计数。

ABSTRACT

High-granularity homogeneous electromagnetic calorimeters based on scintillating crystals and silicon photomultipliers (SiPMs) are a promising option for future $e^{+}e^{-}$ Higgs factories, where both excellent energy resolution and a very large dynamic range are required. In this work, the non-linear response of high-pixel-density SiPMs with pixel pitches of 6--10~$μ$m coupled to BGO and BSO crystals is studied under realistic beam conditions. A dual-end readout scheme with an attenuated reference SiPM was employed to precisely calibrate the deposited energy and the corresponding number of photoelectrons over a wide dynamic range. Beam tests were carried out at the CERN SPS H2 beamline using high-energy electrons, with a tungsten pre-shower and variable incident angles to enhance energy deposition. The measurements directly quantify the non-linear response of SiPMs to scintillation light over an extended dynamic range. For BGO-coupled Hamamatsu SiPMs, deviations from linearity of about 20\% are observed at $5 imes10^{5}$ photoelectrons, while larger deviations are measured for the tested NDL devices and for configurations with faster BSO scintillation.

研究动机与目标

• 评估超高动态范围SiPM（6–10 μm 像素）在与闪烁晶体（BGO 和 BSO）耦合时，在现实束条件下的非线性响应。
• 开发并验证将沉积能量转换为光电子计数的标定链，覆盖极宽的动态范围。
• 评估晶体荧光衰减时间对SiPM饱和和动态范围在晶体液温测量中的影响。

提出的方法

• 使用带衰减参考SiPM的双端晶体读出，以在广泛动态范围内标定沉积能量和光子计数。
• 在晶体前端设置钨前 shower并改变入射角度，以最大化晶体中的能量沉积。
• 通过前置放大器的电荷注入、LED脉冲的SiPM增益、MIP能量沉积以及相对光收集效率（RLCE）进行标定。
• 通过SiPM_Ref重建沉积能量；以光电子计数来量化SiPM_DUT的非线性。
• 在CERN SPS H2对300 GeV电子和160 GeV高能子射进行束流测试数据分析，以覆盖高能淋浴条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 在现实淋浴条件下，检测BGO与BSO晶体荧光时，高像素密度的SiPM响应有多非线性？
• RQ2 双端读出与衰减参考SiPM如何在广泛动态范围内帮助标定沉积能量与光子计数？
• RQ3 晶体荧光衰减时间对高粒度计量中的SiPM饱和与动态范围有何影响？
• RQ4 不同晶体–SiPM 配置在高光电子计数下对非线性有何影响？
• RQ5 在束流测试中影响SiPM非线性测量的主要系统性不确定性是什么？

主要发现

• 在5×10^5光电子下，SiPM非线性取决于晶体与SiPM的不同，范围为−19%到−66.9%。
• 在BGO配合Hamamatsu SiPM时，某些配置下在5×10^5 p.e.处大约偏离20%，而BSO显示出更强的饱和。
• 更快的发光晶体如BSO比慢速的BGO显示出更明显的饱和，表明荧光衰减主导非线性。
• Hamamatsu器件的RLCE通常在250–450之间，NDL SiPM有特定的偏差。
• 固有荧光衰减时间在晶体长度效应之外，主要决定非线性行为。