[论文解读] New fiber read-out design for the large area scintillator detectors: providing good amplitude and time resolutions

Varlen Grabski|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2019

Advanced Optical Sensing Technologies被引用 8

一句话总结

本文提出了一种用于大面积闪烁体探测器的新型透明光纤阵列读出设计，采用垂直排列的光纤以实现均匀的光收集并最小化时间展宽。通过优化光纤密度并使用单包层光纤，该设计实现了亚200 ps的时间分辨率和高幅度均匀性，在可扩展性和时间性能方面优于传统的板状系统。

ABSTRACT

Most of the time-of-flight systems as well as the fast interaction trigger detectors have large surfaces and the principal requirements for the above mentioned detectors is a good time resolution of the order 100-200ps. The easiest solution here is to split the large surface into the small tiles with a read-out directly attached to the photo-sensor. This solution is expensive because the number of the channels grows proportional to the surface. Although if the coverage of the whole surface by the sensors is not sufficient, one can obtain non uniform response, which is not acceptable if uniformity is required. Our suggestion is based on the usage of clear fibres mounted perpendicular on the surface of the scintillator as a matrix providing uniform surface reduction and keeping most of the benefices of the small tiles with the photo-sensors. In this work the design and some analytic estimations of the light collection efficiency for direct and reflected photons will be presented. Also some simple estimations are presented for the time-spread and for the light pulse wave form dependent on the lateral sizes and the thickness of the scintillator.

研究动机与目标

• 解决在飞行时间及快速相互作用触发系统中使用的大面积闪烁体探测器实现均匀时间与幅度分辨率的挑战。
• 在不牺牲时间性能的前提下，相比板状设计减少光子探测器和电子通道的数量。
• 开发一种可扩展的、均匀的光收集系统，保持光子传输的快速时间特性，并最小化光纤传输引起的时基展宽。
• 为光收集效率和时间展宽提供适用于实际探测器设计的分析模型。

提出的方法

• 使用垂直于闪烁体表面排列的透明光学纤维矩阵，以实现均匀的光收集。
• 采用三种耦合方式：直接光学接触、集成光纤的光收集器，以及中间塑料层，以减少遮挡并提高均匀性。
• 应用分析模型估算直接光子和反射光子的光收集效率，包括镜面反射和朗伯反射。
• 基于光纤长度、数值孔径和闪烁体厚度推导时间展宽公式，以预测时间分辨率。
• 利用蒙特卡洛模拟对直接光子和反射光子的脉冲波形及时间展宽进行建模，包括随机发射效应。
• 通过ALICE实验中V0+探测器的实验原型验证结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 透明光纤阵列设计是否能在保持幅度均匀性的同时，实现大面积闪烁体探测器中亚200 ps的时间分辨率？
• RQ2 光纤密度和光纤类型（单包层与多包层）如何影响时间展宽和光收集效率？
• RQ3 反射机制（镜面与漫反射）对光纤读出系统的时间分辨率和脉冲形状有何影响？
• RQ4 光纤长度和数值孔径如何影响收集光子的时间展宽？
• RQ5 与直接耦合或传统波导相比，表面均匀性可改善到何种程度？

主要发现

• 直接光子的时间展宽估计为112 ps，与分析公式和模拟结果高度一致。
• 时间展宽主要由光纤长度和数值孔径决定，单包层光纤的系数为0.02（多包层光纤为0.03），因而时间性能更优。
• 当同时考虑直接光子和反射光子时，小横向尺寸闪烁体的光收集效率相比仅考虑直接光子时提高了三倍。
• 与直接光纤耦合相比，该设计减少了阴影区域并提高了表面均匀性，尤其在使用中间塑料层或光收集器时效果更显著。
• 模拟结果表明，二次反射光子延迟约400 ps，对应于闪烁体厚度，且导致脉冲尾部展宽。
• ALICE实验V0+探测器的原型设计在分析预测与实验结果之间表现出定性一致性。