[论文解读] Development of High Granular Neutron Time-of-Flight Detector for the BM@N experiment

F. Guber, D. Finogeev+12 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2023

Atomic and Subatomic Physics Research被引用 5

一句话总结

本文介绍了在NICA复合体的BM@N实验中，针对高颗粒度中子飞行时间探测器（HGND）的设计与仿真，采用2000个塑料闪烁体单元（时间分辨率100–150 ps，SiPM读出），实现对中子能量和流的精确测量。探测器在300–4000 MeV能量范围内实现约50–60%的重建效率和1–13%的能量分辨率，可实现对致密核物质中对称性能量的高精度研究。

ABSTRACT

The HGND (High Granular Neutron Detector) is developed for the BM@N (Baryonic Matter at Nuclotron) experiment on the extracted beam of the Nuclotron at JINR, Dubna. The HGND will be used to measure the azimuthal flow of neutrons produced with energies ranging from 300 to 4000 MeV in heavy-ion collisions at beam energies of 2--4 AGeV. The azimuthal flow of charged particles will be measured using the BM@N magnet spectrometer. The data on the azimuthal flow of neutrons will shed light on the study of the high-density Equation of State (EoS) of isospin-symmetric nuclear matter, which is crucial for studying astrophysical phenomena such as neutron stars and their mergers. The HGND has a highly granular structure with approximately 2000 plastic scintillation detectors (cells), each measuring 4$ imes$4$ imes$2.5 cm$^3$. These detectors are arranged in 16 layers, with 121 detectors in each layer, and are subdivided by copper absorber plates with a thickness of 3 cm. The light from each cell is detected with SiPM (Silicon Photomultiplier) with an active area of 6$ imes$6 mm$^2$. Developed multi-channel TDC board based on the Kintex FPGA chip with a bin width of 100 ps will be used to perform precise timestamp and amplitude measurement using Time-over-Threshold (ToT) method. Good spatial resolution due to the high granularity together with a cell's time resolution of 100-150 ps ensures neutron reconstruction with good energy resolution. The design of the detector as well as the results from test measurements and simulations have been presented.

研究动机与目标

• 测量2–4 AGeV束流能量下重离子碰撞中中子的方位流动，以探究致密核物质中的对称性能量。
• 开发一种紧凑型、高颗粒度的中子探测器，能够在高多重性环境中实现高时间与能量分辨率的中子识别与重建。
• 在300–4000 MeV能量范围内实现中子能量与流动的精确测量，这对于约束同位旋对称核物质的物态方程至关重要。
• 通过改进对对称性能量项的实验约束，支持对中子星性质及中子星并合动力学的未来研究。

提出的方法

• HGND由16层121个塑料闪烁体单元（4×4×2.5 cm³）组成，排列成2000单元阵列，层间设置3 cm铜吸收板以抑制本底。
• 每个单元由6×6 mm²的SiPM读出，实现高动态范围与快速信号处理。
• 基于Kintex FPGA芯片的定制多通道TDC板提供100 ps时间分箱，通过时间阈值（ToT）方法实现精确时间戳与幅度测量。
• 中子能量通过首个触发单元的飞行时间进行重建，仿真中已考虑时间偏差与分辨率效应。
• 探测器性能通过蒙特卡罗仿真评估，假设初级中子多重性为1，时间分辨率为150 ps，能量沉积阈值为3 MeV（1/2 MIP）。
• 正在开发基于聚类分析与机器学习的方法，以提升多重中子事件中初级中子的识别能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 高颗粒度中子飞行时间探测器是否能够实现足够的时间与能量分辨率，以在300–4000 MeV范围内高效率地重建中子能量？
• RQ2 探测器的时间分辨率（100–150 ps）如何影响整个能量谱中中子能量重建的准确度与分辨率？
• RQ3 在存在本底与多重中子的实际情况中，探测器对初级中子的探测效率与能量分辨率可达到何种水平？
• RQ4 该探测器在多大程度上可实现中子方位流动的测量，以约束致密核物质中的对称性能量？
• RQ5 铜吸收板的引入在高多重性事件中对本底抑制与中子识别有何影响？

主要发现

• HGND在300 MeV能量处实现约1%的能量分辨率，4 GeV处最高达13%，时间分辨率为100 ps。
• 基于多重性=1的仿真，探测器在300–4000 MeV能量范围内估计的中子重建效率为50–60%。
• 仿真结果表明，重建的能量谱与初级中子谱高度吻合，验证了飞行时间重建方法的有效性。
• 预计在5×10⁵ Hz的束流速率下，探测器每月可积累约10⁹个初级中子，支持高精度的流动测量。
• 首个触发单元的时间信息足以实现能量重建，且在150 ps时间分辨率下方法仍具鲁棒性。
• 未来工作将包括开发基于聚类与机器学习的方法，以提升多重中子事件中初级中子的识别能力。