[论文解读] Performance of Scintillator Counters with Silicon Photomultiplier Readout

Mu2e Collaboration Cosmic Ray Veto Group, A. Artikov+16 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2015

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 1被引用 6

一句话总结

本研究利用费米国家加速器实验室的120 GeV质子束，评估了采用硅光电倍增管（SiPM）读出的闪烁体计数器在Mu2e宇宙射线屏蔽系统中的性能。结果表明，计数器在横向方向上响应均匀，纵向响应与纤维修整长度一致，且1.8 mm纤维修整长度的光产额比1.4 mm纤维高约15%，证实其适用于高本底环境下的高精度粒子探测。

ABSTRACT

The performance of scintillator counters with embedded wavelength-shifting fibers has been measured in the Fermilab Meson Test Beam Facility using 120 GeV protons. The counters were extruded with a titanium dioxide surface coating and two channels for fibers at the Fermilab NICADD facility. Each fiber end is read out by a 2*2 mm^2 silicon photomultiplier. The signals were amplified and digitized by a custom-made front-end electronics board. Combinations of 5*2 cm^2 and 6*2 cm^2 extrusion profiles with 1.4 and 1.8 mm diameter fibers were tested. The design is intended for the cosmic-ray veto detector for the Mu2e experiment at Fermilab. The light yield as a function of the transverse and longitudinal position of the beam will be given.

研究动机与目标

• 验证带有波长位移纤维和SiPM读出的闪烁体计数器在Mu2e宇宙射线屏蔽（CRV）系统中应用的性能。
• 在120 GeV质子束照射下，测量不同宽度（50 mm、60 mm）和纤维直径（1.4 mm、1.8 mm）的计数器的横向与纵向响应。
• 确保计数器在高辐射环境下满足CRV系统对99.99%屏蔽效率的严格要求。
• 评估信号均匀性、边缘效应，以及纤维孔和计数器之间1 mm间隙对光产额和探测效率的影响。

提出的方法

• 闪烁体计数器通过掺入二氧化钛涂层并嵌入波长位移纤维（Kuraray Y11非类型，175 ppm）制成，纤维直径分别为1.4 mm和1.8 mm。
• 每根纤维末端通过2×2 mm²的Hamamatsu S13360-2050VE SiPM读出，SiPM安装在带弹簧触点的载板上以实现机械接触。
• 通过HDMI电缆将信号传输至定制前端电子板，经放大和数字化处理，数据从每个双计数器的两端采集。
• 计数器在费米国家加速器实验室的介子测试束设施中接受120 GeV质子束照射，通过调节束流位置和入射角度，以测绘横向与纵向响应。
• 通过SiPM上的像素计数测量响应，同时正在研究串扰校正以估算真实的光电子产额。
• 采用蒙特卡罗模拟建模深色纤维导引条对光子的吸收，解释端部纵向响应的下降现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 采用SiPM读出的闪烁体计数器在宽度方向上的横向响应有多均匀，特别是在边缘区域和计数器之间的间隙处？
• RQ2 计数器沿长度方向的纵向响应如何变化，是否与预期的纤维修整长度一致？
• RQ3 在相同闪烁体挤出物中，1.4 mm与1.8 mm直径波长位移纤维之间的相对光产额差异是多少？
• RQ4 纤维孔和计数器之间1 mm间隙在多大程度上影响信号幅度和探测均匀性？
• RQ5 SiPM中的串扰效应如何影响像素计数，校正后估算的真实光电子产额是多少？

主要发现

• 横向响应在计数器宽度范围内高度均匀，信号仅在距离边缘0.5 mm处降至50%以下，表明具有优异的空间分辨率。
• 数据中可清晰识别出相邻计数器之间1 mm的有效间隙，对应信号出现下陷，证实了机械设计的准确性。
• 当束流穿过纤维孔时，信号出现20–25%的下陷，与光路长度减少一致。
• 纵向响应与预期的纤维修整长度一致，挤出物长度方向上无显著非均匀性。
• 1.8 mm直径纤维的光产额比1.4 mm纤维高出约15%，尽管台架测试表明由于对准误差，预期增益可达40%。
• 初步串扰校正后，估算的光电子产额约为实测像素计数的一半，表明当前SiPM型号中存在显著串扰。