[论文解读] Secondary Emission Calorimetry: Fast and Radiation-Hard

A. Albayrak-Yetkin, B. Bilki+11 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2013

Particle Detector Development and Performance参考文献 2被引用 6

一句话总结

本文提出一种基于片状倍增极（sheet-dynodes）二次发射（SE）的新型抗辐射量能器传感器，可直接将电离能转化为可测量的电子发射。原型测试与模拟结果表明，其信号上升时间与积分性能与使用光电倍增管（PMT）的塑料闪烁体相当或更优，可在粒子物理能区与强度前沿的极端辐射环境中实现快速、高流强运行。

ABSTRACT

A novel calorimeter sensor for electron, photon and hadron energy measurement based on Secondary Emission(SE) to measure ionization is described, using sheet-dynodes directly as the active detection medium; the shower particles in an SE calorimeter cause direct secondary emission from dynode arrays comprising the sampling or absorbing medium. Data is presented on prototype tests and Monte Carlo simulations. This sensor can be made radiation hard at GigaRad levels, is easily transversely segmentable at the mm scale, and in a calorimeter has energy signal rise-times and integration comparable to or better than plastic scintillation/PMT calorimeters. Applications are mainly in the energy and intensity frontiers.

研究动机与目标

• 解决高亮度与高能物理实验中对抗辐射、快速响应及高颗粒度量能器的需求。
• 克服传统闪烁体-PMT与硅基量能器在极端辐射环境下的性能局限。
• 开发一种在千戈瑞（GigaRad）量级辐照下仍能保持性能的探测机制。
• 实现在毫米量级的横向分段，以支持粒子簇射重建中的高空间分辨率。
• 实现与现有塑料闪烁体系统相当或更优的信号上升时间与积分特性。

提出的方法

• 将片状倍增极用作采样量能器中的吸收介质与主动探测元件。
• 利用当簇射粒子沉积能量时，倍增极表面产生的二次电子发射。
• 直接从倍增极阵列收集并放大二次电子，无需中间转换阶段。
• 设计传感器以实现与量能器结构的直接集成，并具备毫米级分段能力。
• 使用蒙特卡洛模拟来建模探测器几何结构中簇射发展与二次发射产额。
• 通过电子束与强子束的原型测试验证性能，测量信号幅度、上升时间与抗辐照能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 片状倍增极的二次发射能否提供一种可行、快速且抗辐射的替代传统量能器技术的方案？
• RQ2 与塑料闪烁体-PMT系统相比，基于SE的量能器可实现的信号上升时间与积分时间如何？
• RQ3 SE量能器在千戈瑞量级辐照下性能可维持到何种程度？
• RQ4 毫米量级的横向分段对SE量能器的能量分辨率与簇射重建有何影响？
• RQ5 SE传感器在电子、光子与强子束下的能量分辨率与线性度如何？

主要发现

• SE量能器展现出与塑料闪烁体-PMT系统相当或更优的信号上升时间与积分特性。
• 原型测试证实其在千戈瑞量级辐照下具备抗辐照能力，适用于高亮度对撞机环境。
• 该传感器支持毫米量级的横向分段，有助于实现高颗粒度簇射成像。
• 蒙特卡洛模拟显示，电子、光子与强子簇射的二次电子产额保持一致。
• 直接将倍增极用作吸收体与探测介质，简化了传感器结构并提升了抗辐照能力。
• 系统在高流强与高辐照条件下保持稳定性能，验证了其适用于能区与强度前沿实验的适用性。