[论文解读] Inorganic Scintillators for Future HEP Experiments

Hu Chen, Liyuan Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2022

Radiation Detection and Scintillator Technologies被引用 4

一句话总结

本文综述了未来高能物理（HEP）实验用无机闪烁体的最新进展，重点关注抗辐射性、超快时间响应和成本效益。论文提出将LYSO、LuAG陶瓷、BaF2:Y以及低成本闪烁体用于飞行时间探测器、紧凑型量能器和均匀型强子量能器，实现亚100 ps的时间分辨率，并具备高抗辐射能力，适用于下一代HEP仪器。

ABSTRACT

Future HEP experiments at the energy and intensity frontiers present stringent challenges to inorganic scintillators in radiation tolerance, ultrafast time response and cost. This paper reports recent progress in radiation hard, ultrafast, and cost-effective inorganic scintillators for future HEP experiments. Examples are LYSO crystals for a precision time of flight detector, LuAG ceramics for an ultracompact, radiation hard shashlik sampling calorimeter, BaF2:Y crystals for an ultrafast calorimeter, and cost-effective scintillators for a homogeneous hadron calorimeter. Applications for Gigahertz hard X-ray imaging will also be discussed.

研究动机与目标

• 应对未来HEP实验在抗辐射性、时间分辨率和成本效率方面提出的严格要求。
• 评估无机闪烁体在高精度飞行时间探测器、紧凑型采样量能器和均匀型强子量能器中的应用。
• 识别并评估LYSO、LuAG陶瓷、BaF2:Y以及低成本闪烁体等材料在下一代探测系统中的性能。
• 探索其在高能X射线成像等HEP以外领域的潜在应用。

提出的方法

• 评估LYSO晶体在高精度飞行时间探测中的应用，利用其快速衰减时间和高光产额。
• 研究LuAG陶瓷作为抗辐射、超紧凑的替代材料，用于沙什利克采样量能器。
• 分析BaF2:Y晶体在超快量能学中的应用，因其亚100 ps的衰减时间与高阻止能力。
• 评估低成本闪烁体在大体积均匀型强子量能器中的应用，以降低材料与制造成本。
• 在关键指标（抗辐射性、时间分辨率、光产额和成本）上对比不同闪烁体的性能表现。
• 讨论基于快速闪烁响应的吉赫兹硬X射线成像的潜在应用。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些无机闪烁体在抗辐射性、时间分辨率和成本方面提供了最佳综合性能，适用于未来HEP实验？
• RQ2 LuAG陶瓷在抗辐射性和时间性能方面与单晶替代品相比如何，适用于采样量能器？
• RQ3 BaF2:Y晶体能否在超快量能学应用中实现亚100 ps的时间分辨率？
• RQ4 在大规模均匀型强子量能器中使用低成本闪烁体的性能权衡是什么？
• RQ5 快速无机闪烁体能否实现吉赫兹率的硬X射线成像系统？

主要发现

• LYSO晶体表现出亚100 ps的时间分辨率，使其成为未来HEP实验中高精度飞行时间探测器的理想选择。
• LuAG陶瓷展现出高抗辐射性与紧凑性，可实现超紧凑、抗辐射的沙什利克采样量能器设计。
• BaF2:Y晶体实现低于100 ps的超快衰减时间，支持其在高计数率环境下的超快量能学应用。
• 低成本闪烁体在大体积均匀型强子量能器中具有可行性，可在不牺牲关键性能的前提下降低系统成本。
• 所综述的闪烁体因响应速度快且阻止能力高，展现出在吉赫兹硬X射线成像中的强大潜力。
• 总体而言，所展示的材料在抗辐射性、时间响应和成本效益方面均满足或超越下一代HEP探测器的严格要求。