[论文解读] A 1 mm Scintillating Fibre Tracker Readout by a Multi-anode Photomultiplier

B. Leverington, M. Anelli+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2011

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 7被引用 9

一句话总结

本论文展示了一款采用64通道滨松H8500多碱金属光电倍增管（MA-PMT）读出的1 mm闪烁纤维追踪器原型，其在4层0.7 mm方形纤维下实现了0.118 mm（模拟）和0.119 mm（数字）的空间分辨率。研究识别出串串扰和通道映射为关键影响因素，并提出了优化的纤维到MA-PMT通道布局方案，以提升未来LHCb追踪器升级的分辨率与效率。

ABSTRACT

This note describes a prototype particle tracking detector constructed with 1 mm plastic scintillating fibres with a 64 channel Hamamatsu H8500 flat-panel multi-anode photomultiplier readout. Cosmic ray tracks from an array of 11 gas-filled drift tubes were matched to signals in the scintillating fibres in order to measure the resolution and efficiency of tracks reconstructed in the fibre-based tracker. A GEANT4 detector simulation was also developed to compare cosmic ray data with MC results and is discussed in the note. Using the parameters measured in this experimental setup, modified fibre tracker designs are suggested to improve resolution and efficiency in future prototypes to meet modern detector specifications.

研究动机与目标

• 为LHCb探测器升级开发一种高颗粒度、抗辐射的粒子追踪器，采用1 mm闪烁纤维。
• 在宇宙射线条件下，评估由多碱金属光电倍增管（MA-PMT）读出的纤维追踪器的空间分辨率与效率。
• 识别设计改进方案，如纤维几何形状、通道间距及MA-PMT映射方式，以提升位置分辨率与效率。
• 将实验结果与GEANT4模拟进行对比，以验证性能并指导未来原型设计。
• 评估在高亮度LHC环境中用纤维基追踪器替代气基丝室的可行性。

提出的方法

• 使用1 mm塑料闪烁纤维构建原型追踪器，纤维排列为4–6层，水平间距为1 mm或0.7 mm。
• 采用滨松H8500平面型MA-PMT（64通道）进行读出，该MA-PMT优化用于单光电子分辨率。
• 通过将纤维追踪器信号与11个充气漂移室阵列的信号匹配，实现宇宙射线轨迹的重建。
• 基于GEANT4开发蒙特卡洛模拟，以建模光产额、电荷分布、衰减及串串扰效应。
• 通过分析光电子产额、信噪比、串串扰及触发阈值设置，评估纤维追踪器性能。
• 提出优化的纤维到MA-PMT通道映射策略，以最小化串串扰并提升位置分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在宇宙射线条件下，采用64通道MA-PMT读出的1 mm闪烁纤维追踪器可实现多高的空间分辨率？
• RQ2 纤维几何形状（圆形与方形）、直径及通道间距如何影响位置分辨率与效率？
• RQ3 MA-PMT内部串串扰及纤维间的光学串串扰在多大程度上降低位置分辨率？
• RQ4 光探测器选择（如H8500与H7456）对信号产额、噪声及整体追踪器性能有何影响？
• RQ5 改进后的纤维追踪器设计能否在保持高效率与抗辐射能力的前提下实现亚0.2 mm分辨率，适用于LHCb升级应用？

主要发现

• 4层方形0.7 mm纤维设计在60 cm处实现了0.118 mm（模拟）和0.119 mm（数字）的空间分辨率，达到<0.2 mm分辨率的目标。
• 6层圆形0.7 mm纤维设计在60 cm处实现了0.122 mm（数字）的分辨率，性能优于大直径纤维。
• MA-PMT相邻通道间的串串扰被确定为数字读出中主要的限制因素，若不加以抑制，可使分辨率降低高达20%。
• 提出的纤维到MA-PMT通道映射策略（避免相邻通道排列）显著降低串串扰并提升分辨率。
• H7456-100 MA-PMT（量子效率34%，串串扰更低）在性能上优于H8500，适用于未来追踪器设计。
• 最佳设计（如4sqr0.7mm）在2.7 mm触发阈值下效率超过97%，表明具备优异的探测能力。