[论文解读] Calibration of calorimetric measurement in a liquid argon time projection chamber

T. Yang|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2020

Neutrino Physics Research参考文献 47被引用 5

一句话总结

本文全面回顾了液氩时间投影室（LArTPCs）中量热测量的校准技术，重点针对电子学响应、空间电荷、电子附着、扩散和复合等探测器与物理效应进行校正。通过对接收的ADC计数应用校准修正，该方法可将测量信号准确转换为原始能量沉积，对中微子及标准模型之外的粒子物理实验中的精确粒子识别至关重要。

ABSTRACT

The liquid argon time projection chamber provides high resolution event images and excellent calorimetric resolution for studying neutrino physics and searching for beyond standard model physics. In this article, we review the main physics processes that affect the detector response, including the electronics and field responses, space charge effects, electron attachment to impurities, diffusion and recombination. We describe methods to measure those effects, which are used to calibrate the detector response and convert the measured raw ADC counts to the original energy deposition.

研究动机与目标

• 通过校正影响原始ADC信号的探测器与物理效应，实现在LArTPCs中精确的量热能量测量。
• 解决将原始探测器读出数据转换为真实能量沉积的挑战，以支持粒子识别。
• 回顾并系统化关键效应（如电子附着、扩散、复合和空间电荷）的校准方法。
• 通过确保精确的能量重建，支持高分辨率中微子截面测量及新物理的搜寻。
• 为DUNE、MicroBooNE和ICARUS等LArTPC实验提供校准程序的参考。

提出的方法

• 使用脉冲校准系统，通过6位DAC向放大器通道注入已知电荷（每步3.43 fC），以测量电子学响应。
• 对脉冲面积与DAC设置进行线性拟合，以确定通道增益，典型增益为23.5 e⁻/ADC计数刻度。
• 采用停止μ子校准方法测量对最小电离粒子的响应，并验证能量刻度。
• 通过专用纯度测试和杂质监测系统测量电子寿命和附着率，以校正信号衰减。
• 利用测量的电场畸变及其对电子漂移和复合的影响，对空间电荷效应进行建模与校正。
• 应用理论模型（如Onsager复合、Einstein-Smoluchowski扩散）量化并校正扩散与复合效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何校准LArTPCs中的电子学响应，以确保ADC计数到电荷的精确转换？
• RQ2 在LArTPCs中导致真实能量沉积失真的主要效应是什么？如何测量并校正这些效应？
• RQ3 被捕获的氩离子引起的空间电荷效应如何改变电场并影响信号形成？
• RQ4 电子与杂质的附着以及扩散在多大程度上影响LArTPCs中信号的幅度和波形？
• RQ5 如何量化并校正复合损失，以恢复真实的电离能量？

主要发现

• 电子学响应在DAC设置范围0–63内呈线性，典型增益为23.5 e⁻/ADC计数刻度，可实现精确的电荷校准。
• 电子与杂质（如氧气和水）的附着导致信号衰减，在超纯氩中测得的电子寿命超过10 ms。
• 液氩中的纵向扩散量为1.5–2.0 mm²/ms，横向扩散较小，影响信号展宽。
• 宇宙μ子引起的空间电荷效应可使电场畸变达10%，需进行校正以实现精确的能量重建。
• 对最小电离粒子的复合损失测量值约为10–15%，高电离粒子的损失更高。
• 停止μ子校准提供了可靠的能量刻度假设，测得的dE/dx值与理论预期一致，误差在1–2%以内。