[论文解读] Electron beam studies of light collection in a scintillating counter with embedded fibers

M. Lauß, P. Achenbach+29 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 15被引用 4

一句话总结

本研究通过在MAMI装置上使用855 MeV电子束测试，研究了在塑料闪烁体计数器中嵌入波长位移（WLS）纤维后的光收集效率。结果表明，1.5 mm直径的WLS纤维相比无纤维参考计数器可将光产额提高94.2%，峰值增益出现在距纤维10 cm以内的横向距离范围内，并将总光产额建模为直接光收集与间接光收集两部分之和。

ABSTRACT

The light collection of several fiber configurations embedded in a box-shaped plastic scintillating counter was studied by scanning with minimum ionizing electrons. The light was read out by silicon photomultipliers at both ends. The light yield produced by the 855-MeV beam of the Mainz Microtron showed a strong dependence on the transverse distance from the beam position to the fibers. The observations were modeled by attributing the collection of indirect light inside of the counter and of direct light reaching a fiber to the total light yield. The light collection with fibers was compared to that of a scintillating counter without fibers. These studies were carried out within the development of plastic scintillating detectors as an active veto system for the DarkMESA electron beam-dump experiment that will search for light dark matter particles in the MeV mass range.

研究动机与目标

• 优化盒形塑料闪烁体计数器中的光收集效率，用于DarkMESA电子束对撞实验。
• 评估不同WLS纤维配置（直径、几何形状、束合）在提升光产额方面的性能。
• 量化光收集效率相对于纤维位置的横向依赖性。
• 建立光产额与束相互作用点距离的关系模型，区分直接光与间接光贡献。
• 为MeV量级暗物质探测设计紧凑、低成本且高效率的主动 veto 系统提供设计依据。

提出的方法

• 使用EJ-200塑料制作尺寸为50 × 25 × 2 cm³的闪烁体计数器，表面抛光以促进全内反射。
• 在槽中嵌入不同WLS纤维配置（1 mm圆柱形、1.5 mm圆柱形、2 mm方形及4根1 mm圆柱形束合），并用光学胶密封。
• 每端使用四个6×6 mm²的SiPM读出光信号，配备专用前置放大器、运算放大器及DAC以控制偏置电压。
• 在Mainz微波对撞机（MAMI）上使用855 MeV的最小电离电子束进行测试，以模拟能量沉积。
• 通过无纤维参考计数器进行校准，光产额以每MeV对应的光电子（p.e.）响应进行测量。
• 采用双组分模型分离贡献：直接到达纤维的光与通过闪烁体内全内反射收集的间接光。

实验结果

研究问题

• RQ1 闪烁体计数器中的光产额如何依赖于束相互作用点与嵌入WLS纤维之间的横向距离？
• RQ2 直接到达纤维的光与通过内部全反射收集的间接光对总光产额的相对贡献是多少？
• RQ3 在2 cm厚的闪烁体中，哪种WLS纤维配置（直径、几何形状、束合）能最大化光收集效率？
• RQ4 与无纤维参考计数器相比，不同纤维配置的光产额如何变化？
• RQ5 相互作用点的位置在多大程度上影响纤维读出闪烁体的信号响应？

主要发现

• 1.5 mm直径圆柱形WLS纤维相比无纤维参考计数器使光产额提高94.2%，其中直接光贡献50.3%，间接光贡献43.9%。
• 光产额增益强烈依赖于横向距离，在纤维±10 cm范围内达到峰值，表明当相互作用发生在纤维附近时性能最佳。
• 1 mm圆柱形纤维配置仅比参考值提高6.2%，而4×1 mm束合纤维达到49.9%的增益，表明更小或束合的纤维存在收益递减现象。
• 将总光产额建模为直接光与间接光贡献之和的模型与数据拟合良好，减少卡方值在1.2至3.1之间。
• 信号响应对横向位置的敏感性带来了均匀性挑战，但结合多SiPM读出时可能实现更优的位置分辨率。
• 结果表明，为最大化MeV量级暗物质实验中veto计数器的光收集效率，应将WLS纤维置于相互作用区域10 cm以内。