[论文解读] SciFi: A large Scintillating Fibre Tracker for LHCb

P. Hopchev|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2017

Particle Detector Development and Performance被引用 3

一句话总结

LHCb SciFi 追踪器用大型均匀的塑料闪烁纤维探测器取代了现有的追踪系统，采用直径250 µm的纤维，通过冷却的硅光电倍增管（SiPMs）和专用ASIC读出。该系统在测试束中实现了70 µm的空间分辨率、99%的触发效率和16个光电子的光产额，具备抗辐射设计，可承受35 kGy的总电离剂量和10¹² neq/cm²的中子注量，满足其整个使用寿命的需求。

ABSTRACT

The LHCb detector will be upgraded during the Long Shutdown 2 (LS2) of the LHC in order to cope with higher instantaneous luminosities and to read out the data at 40 MHz using a trigger-less readout system. The current LHCb main tracking system will be replaced by a single homogeneous detector based on scintillating fibres. This contribution gives an overview of the scintillating fibre tracker concept and presents the experience from the series production complemented by most recent test-beam and laboratory results.

研究动机与目标

• 将LHCb主追踪系统替换为单一、均匀的闪烁纤维追踪器，以应对更高的亮度和40 MHz无触发读出需求。
• 在弯曲方向实现亚100 µm的空间分辨率，同时每层材料预算控制在1%以内。
• 确保在高辐射环境下的长期性能，包括35 kGy的电离剂量和10¹² neq/cm²的中子注量。
• 开发抗辐射组件，包括冷却的SiPM和减少串串扰的纤维阵列。
• 实现590,000个通道的全序列化生产与集成，用于2019年探测器升级。

提出的方法

• 使用由六层250 µm直径SCSF-78MJ纤维组成的2.4 m长闪烁纤维阵列，采用掺入TiO₂的环氧树脂胶以抑制光学串串扰。
• 通过在阵列另一端的反射镜收集光信号，并在每根阵列的一端使用128通道SiPM阵列通过柔性电缆连接进行读出。
• 通过3D打印的钛金属冷杆将SiPM冷却至-40°C，以抑制中子辐照后的暗计数率。
• 通过PACIFIC ASIC处理信号，实现前置放大、快速成形和双门限积分，死时间接近零。
• 使用可调三阈值比较器进行信号数字化，并在簇化板上的FPGA中进行数据簇化处理，随后通过光学链路传输至DAQ。
• 将探测器模块设计为对齐的纤维阵列粘接在蜂窝/碳纤维面板上，并使用参考对准销实现高精度组装。

实验结果

研究问题

• RQ1 大规模闪烁纤维追踪器能否在高辐射和高粒子多重性条件下实现亚100 µm的空间分辨率？
• RQ2 电离剂量和中子注量引起的辐射损伤效应如何影响纤维的光衰减和SiPM的暗计数率？
• RQ3 冷却的SiPM能否在10¹² neq/cm²中子注量下保持足够的信噪比，从而实现4.5个光电子阈值下的可靠40 MHz读出？
• RQ4 在全尺寸原型的束流测试条件下，可实现的光产额和位置分辨率是多少？
• RQ5 模块化、序列化生产方法能否确保590,000个通道在每层1%材料预算下的一致性能？

主要发现

• 在CERN和DESY的质子/π介子和电子束测试中，SciFi追踪器实现了70 µm的空间分辨率。
• 测得的标称光产额为每1 MeV沉积能量产生16个光电子，达到设计目标。
• 在测试束和实验室测量中均确认了99%的触发效率，即使在辐照后仍保持稳定。
• 在-40°C下，经6×10¹¹ neq/cm²中子注量辐照后，SiPM的暗计数率达到每通道14 MHz，但由于采用4.5个光电子的簇化阈值，仍处于可管理范围。
• 在35 kGy电离剂量下，最内层区域的纤维衰减长度最大下降40%，而在距离束流管50 cm处影响可忽略。
• 包含590,000个通道的完整探测器系统正在按序列化方式生产，并将于2019年安装于LHCb升级项目中。