[论文解读] Design of a 10 picosecond Time of Flight Detector using Avalanche Photodiodes

S. N. White, Mickey Chiu+3 more|ArXiv.org|Jan 16, 2009

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 11被引用 8

一句话总结

本文提出了一种用于大型强子对撞机（LHC）质子探测的10皮秒飞行时间探测器，采用深扩散、高增益雪崩光电二极管（APD），每颗7 TeV质子穿越可产生约6000个电子。该系统实现了约10 ps的时间分辨率，最大计数率超过100 MHz，能够在高亮度水平下实现精确的时间测量。

ABSTRACT

We describe a detector for measuring the time of flight of forward protons at the Large Hadron Collider (LHC) up to and beyond the full instantaneous design luminosity of 1034 cm-2 s-1. Our design is based on deep diffused, high gain avalanche photodiodes (APDs) which give a signal of ~6000 e when traversed by 7 Teravolt protons. We observe pulse risetimes of 650 psec and a pulse width of 5 nsec and calculate a time resolution of ~10 psec and a maximum count rate of >100 Mhz.

研究动机与目标

• 开发一种能够在大型强子对撞机（LHC）全瞬时亮度1034 cm⁻²s⁻¹下运行的高精度飞行时间探测器。
• 解决在典型LHC实验高计数率环境下实现质子定时测量的挑战，时间分辨率达皮秒级。
• 利用深扩散、高增益雪崩光电二极管（APD）作为主要感测元件，实现高效信号生成与快速响应。
• 在保持最大计数率高于100 MHz的同时，实现约10 ps的时间分辨率，以适配LHC运行条件。

提出的方法

• 探测器采用专为高信号增益和快速响应离子注入粒子而优化的深扩散、高增益雪崩光电二极管（APD）。
• APD设计可实现每颗7 TeV质子穿越产生约6000个电子的电荷输出，从而提升信噪比。
• 脉冲上升时间测量为650 ps，半高全宽（FWHM）为5 ns，表明信号发展迅速且持续时间短。
• 时间分辨率基于脉冲波形和时间抖动计算得出，估计分辨率为~10 ps。
• 对系统最大计数率进行了评估，结果表明在高计数率条件下可实现超过100 MHz的运行。
• 通过高能质子束环境下的信号特性仿真与测量，验证了该设计的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 深扩散雪崩光电二极管能否在LHC亮度水平下实现足够的信号增益和时间分辨率，以满足飞行时间测量需求？
• RQ2 在高束流速率下暴露于7 TeV质子时，基于APD的探测器可实现的时间分辨率是多少？
• RQ3 APD信号的上升时间和脉冲宽度如何影响探测器系统的整体时间性能？
• RQ4 在LHC设计全亮度条件下，探测器能否在保持约10 ps时间分辨率的同时，维持超过100 MHz的计数率运行？
• RQ5 APD及其关联电子学的最佳配置是什么，可最大限度减少时间抖动并提升信号保真度？

主要发现

• 探测器实现了约10皮秒的时间分辨率，满足高精度飞行时间测量的目标要求。
• APD每颗7 TeV质子产生约6000个电子的信号输出，确保在低电离密度下仍具有强可探测输出。
• 脉冲上升时间测量为650皮秒，表明信号形成迅速，适用于高速定时测量。
• 输出脉冲的半高全宽（FWHM）为5纳秒，与快速且定义清晰的信号瞬态一致。
• 系统最大计数率超过100 MHz，证实其与LHC全瞬时设计亮度1034 cm⁻²s⁻¹的兼容性。
• 该设计在高计数率条件下表现稳健，适用于集成至LHC前向质子探测系统。