[论文解读] Active optical fibres in modern particle physics experiments

P. Achenbach|ArXiv.org|Apr 5, 2004

Particle Detector Development and Performance参考文献 38被引用 6

一句话总结

本文综述了现代粒子物理实验中主动光纤（闪烁光纤与波长位移光纤）的应用，重点研究光子传输、传输效率及时间分辨率。研究结果表明，光纤弯曲显著影响信号损耗，当曲率半径超过光纤半径的65倍时，传输效率可超过90%；同时，由于路径长度变化受控且使用了时间响应快、渡越时间展宽小的闪烁体，时间分辨率可保持在亚纳秒量级。

ABSTRACT

In modern particle physics experiments wavelength-shifting and scintillating fibres based on plastic polymers are used for tracking and calorimetry. In this review the role of photon trapping efficiencies, transmission functions and signal response times for common multimode active fibres is discussed. Numerical simulations involving three dimensional tracking of skew rays through curved fibres demonstrate the characteristics of trapped light. Of practical interest are the parametrisations of transmission functions and the minimum permissible radius of curvature. These are of great importance in today's experiments where high count rates and small numbers of photoelectrons are encountered. Special emphasis has been placed on the timing resolution of fibre detectors and its limitation due to variations in the path length of generated photons.

研究动机与目标

• 分析粒子探测器中使用的多模主动光纤中的光子传输与传输效率。
• 量化光纤弯曲对光子损耗和信号退化的影响，特别是在高包覆度 calorimeter（量能器）设计中的影响。
• 评估由于路径长度差异和探测器响应时间导致的光纤基探测器时间分辨率限制。
• 为传输函数和最小曲率半径提供参数化表达式，以支持实际探测器设计。
• 支持面向未来高亮度对撞机的低质量、高分辨率粒子探测器的发展。

提出的方法

• 采用三维光线追踪进行数值模拟，以建模弯曲光纤中斜射光线的传播。
• 利用蒙特卡洛模拟评估光子损耗随曲率半径与光纤半径之比的变化关系。
• 基于子午近似分析光子渡越时间分布，并考虑多模光纤中的螺旋路径。
• 使用标准光纤纤芯折射率及实测闪烁体衰减时间，以模拟信号响应。
• 评估闪烁体衰减、光电倍增管渡越时间展宽及电子电路效应等对时间分辨率的贡献。
• 基于模拟的路径长度分布和衰减特性，对传输函数进行参数化。

实验结果

研究问题

• RQ1 光纤弯曲对光传输有何影响？实现高效信号传播的最小允许曲率半径是多少？
• RQ2 由于斜射光线导致的光子路径长度变化，如何影响光纤基探测器的时间分辨率？
• RQ3 闪烁体衰减时间与光电倍增管渡越时间展宽在多大程度上限制了可实现的时间分辨率？
• RQ4 在低光强条件下，光纤末端的光产额如何依赖于光纤长度和弯曲程度？
• RQ5 能否使用简单的指数衰减模型准确描述弯曲光纤的传输函数，还是需要更复杂的依赖关系？

主要发现

• 当曲率半径与光纤半径之比大于65时，弯曲光纤的光传输效率超过90%。
• 由弯曲引起的光子损耗主要发生在过渡区域，此后光子传播不再产生额外损耗，表明存在阈值行为。
• 在光纤长度为0.5至3米之间时，约三分之二的光子在子午路径近似所预期的时间展宽内到达。
• 其余光子由于螺旋路径而延迟到达，且该尾部光子比例随光纤长度增加仅缓慢减小。
• 由于使用了快速闪烁体和低渡越时间展宽的光电倍增管，光纤探测器的时间分辨率可达到亚纳秒量级，时间差可分辨至约100 ps。
• 与几何尺寸相同的体闪烁体相比，光纤探测器的时间分辨率约好一倍，这是由于路径长度展宽减小所致。