[论文解读] Hadron calorimeter with MAPD readout in the NA61/SHINE experiment

A. Ivashkin, F. Akhmadov+21 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2012

Radiation Detection and Scintillator Technologies被引用 3

一句话总结

本论文介绍了一种用于CERN NA61/SHINE实验的模块化铅-闪烁体强子量能器，采用微像素雪崩光电二极管（MAPD）读出，旨在测量重离子碰撞中射出的核子残余。该量能器由44个分段模块组成，采用WLS光纤光收集系统和MAPD-3A光电探测器（15,000像素/mm²），在高达6×10⁴个光子的范围内实现线性响应，能量分辨率在30 GeV时达到6.5%，并在束流测试中表现出稳定运行性能。

ABSTRACT

The modular hadron calorimeter with micro-pixel avalanche photodiodes readout for the NA61/SHINE experiment at the CERN SPS is presented. The calorimeter consists of 44 independent modules with lead-scintillator sandwich structure. The light from the scintillator tiles is captured by and transported with WLS-fibers embedded in scintillator grooves. The construction provides a longitudinal segmentation of the module in 10 sections with independent MAPD readout. MAPDs with pixel density of $~10^{4}$/mm$^2$ ensure good linearity of calorimeter response in a wide dynamical range. The performance of the calorimeter prototype in a beam test is reported.

研究动机与目标

• 为NA61/SHINE实验开发一种高分辨率强子量能器，以研究强相互作用物质的相图。
• 测量离子-离子碰撞中非相互作用核子（射出核子残余）的数量，以探测临界点和禁闭的开启。
• 在碰撞几何引起的巨大涨落背景下，确保能量分辨率（σE/E < 60%/√E）和横向均匀性。
• 验证高密度MAPD（15,000像素/mm²）在高强度强子簇射中实现线性响应的可行性。
• 在宽能量范围（1–158 GeV）内，证明量能器原型在束流条件下的稳定、线性性能。

提出的方法

• 该量能器由44个独立模块组成，每个模块包含60层铅（16 mm）和闪烁体（4 mm），总厚度相当于5.7个核相互作用长度。
• 闪烁体晶片发出的光通过嵌入凹槽中的WLS光纤收集，并沿每个模块的10个纵向区段传输，每个区段由一个MAPD读出。
• 采用MAPD-3A光电探测器，其像素密度为15,000像素/mm²，有效面积为3×3 mm²，以实现高动态范围和线性响应。
• 利用缪子束扫描对九个3×3 cm²模块的90个读出通道进行校准，以评估能量响应的均匀性。
• 利用强子束（SPS能区20–158 GeV，PS能区1–6 GeV）测量能量分辨率，并对横向簇射泄漏（估计为16%）进行修正。
• 将三参数分辨率模型（随机项、常数项和泄漏项）拟合至数据，以提取分辨率参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 高密度MAPD（15,000像素/mm²）是否能在强子量能器中对高达6×10⁴个入射光子的光脉冲实现线性响应？
• RQ2 采用WLS光纤读出和MAPD读出的模块化铅-闪烁体设计，是否能达到30 GeV时<60%/√E的能量分辨率要求？
• RQ3 横向簇射泄漏在30×30 cm²原型中对能量分辨率的影响程度如何？是否可被有效修正？
• RQ4 MAPD-3A光电探测器在NA61/SHINE实验预期的束流强度下，是否具备稳定且线性的运行性能？
• RQ5 该量能器原型能否准确区分电磁型响应（如正电子沉积）与强子簇射？

主要发现

• MAPD-3A光电探测器对高达6×10⁴个入射光子的光脉冲表现出线性响应，对应最大光电子数为15,000，且在最高预期束流强度下幅度下降小于5%。
• 在30 GeV能量下，正电子沉积的能量分辨率测量值为6.5%，符合<60%/√E的目标要求。
• 拟合的三参数分辨率模型得到随机项为56.1%，常数项为2.1%，泄漏项固定为16%，表明存在部分补偿但采样不理想。
• 原型在为期两个月的校准和束流运行中表现出稳定运行，320个MAPD-3A探测器样本安装并可靠工作。
• 量能器沿纵向划分为10个区段，可实现粒子类型判别，并提升光收集的均匀性。
• 蒙特卡洛模拟证实，30×30 cm²原型中约16%的横向簇射泄漏是分辨率退化的重要贡献因素，支持开展更大规模测试。