[论文解读] First performance studies of a prototype for the CASTOR forward calorimeter at the CMS experiment

X. Aslanoglou, A. Cyz+7 more|ArXiv.org|Jun 17, 2007

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文通过在CERN/SPS进行的电子束测试，首次对LHC CMS实验中CASTOR前向量能器原型的性能进行了研究，评估了石英-钨采样量能器组件的不同配置。主要发现为：与石英纤维相比，石英板可提供更高的光输出，且能量分辨率相当（80 GeV时约为2%）；玻璃反射器的性能优于铝箔反射器，支持采用石英板和APDs作为最终探测器设计的有前途选项。

ABSTRACT

We present results on the performance of the first prototype of the CASTOR quartz-tungsten sampling calorimeter, to be installed in the very forward region of the CMS experiment at the LHC. This study includes GEANT Monte Carlo simulations of the Cherenkov light transmission efficiency of different types of air-core light guides, as well as analysis of the calorimeter linearity and resolution as a function of energy and impact-point, obtained with 20-200 GeV electron beams from CERN/SPS tests in 2003. Several configurations of the calorimeter have been tested and compared, including different combinations of (i) structures for the active material of the calorimeter (quartz plates and fibres), (ii) various light-guide reflecting materials (glass and foil reflectors) and (iii) photodetector devices (photomultipliers and avalanche photodiodes).

研究动机与目标

• 评估CASTOR前向量能器原型在LHC CMS实验中应用的不同配置的性能。
• 比较石英板与石英纤维作为量能器活性材料时的光输出、能量分辨率和线性度。
• 评估不同光导反射器类型（玻璃 vs. 铝箔）和光电探测器器件（PMT vs. APD）对量能器响应的影响。
• 确定最优探测器几何结构和组件选择，以实现在非常前向区域（5.2 < η < 6.6）的高分辨率和均匀性。
• 基于束流测试结果和GEANT4模拟，为CASTOR量能器的最终设计提供基础。

提出的方法

• 在CERN SPS使用20–200 GeV电子束对包含多种配置的原型量能器进行了束流测试。
• 使用GEANT4蒙特卡洛模拟，建模了不同空气芯光导几何结构和反射器类型的切伦科夫光传输效率。
• 测试了四个八分之一读出单元，采用不同组合：(1) 石英板或纤维作为活性材料，(2) 光导上使用玻璃或铝箔反射器，(3) 使用滨松PMT或雪崩光电二极管（APD）作为光电探测器。
• 测量了量能器的线性度、能量分辨率和响应均匀性，作为束流能量和不同区域（S1, J1, J2）入射点位置的函数。
• 分析了响应对距量能器中心径向距离的依赖性，并评估了相邻区域之间的串扰和漏光。
• 通过三个参数优化光导设计：光纤数值孔径（NA）、光导长度（lg）和模数（lm），以最大化效率和均匀性。

实验结果

研究问题

• RQ1 活性材料的选择（石英板 vs. 纤维）如何影响CASTOR原型的光输出和能量分辨率？
• RQ2 在空气芯光导中，玻璃反射器与铝箔反射器在切伦科夫光传输方面的相对性能如何？
• RQ3 光电探测器类型（PMT vs. APD）如何影响原型的能量分辨率和线性度？
• RQ4 束流入射点对量能器响应和分辨率的影响程度如何？
• RQ5 何种光导几何结构和反射器配置可实现最高的光传输效率和均匀性？

主要发现

• 在等效有效厚度下，石英板的光输出比石英纤维高约10–15%，且能量分辨率相当。
• 当使用石英板、玻璃反射器和滨松PMT时，80 GeV电子的能量分辨率约为≈2%；而使用铝箔反射器时，分辨率约为≈3.5–4.0%。
• 当使用相同PMT和玻璃反射器时，石英板和纤维配置的能量分辨率常数项（p₀）均小于1%，表明在高能区固有分辨率退化极低。
• 随机项（p₁）在石英板中为36%，在纤维中为46%，表明板状结构具有更好的分辨率均匀性。
• APD显示出作为光电探测器的潜力，但需进一步测试其抗辐射能力、冷却需求和电压稳定性。
• 当入射点距离边界大于8 mm时，区域间漏光可忽略；仅当入射点距离边缘小于3 mm时，响应和分辨率出现退化。