[论文解读] Study of Micro Pixel Photon Counters for a high granularity scintillator-based hadron calorimeter

N. d’Ascenzo, A. Eggemann+1 more|ArXiv.org|Nov 8, 2007

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 3被引用 3

一句话总结

本研究评估了微像素光子计数器（MPPC）在国际线性对撞机（ILC）高颗粒度闪烁体基强子量能器中直接读出的适用性。MPPC在每最小电离粒子（mip）6–7个光电子时，对蓝色闪烁光的信号收集效率高达97%，在动态范围和效率方面优于传统的波长移位光纤耦合方式，展现出作为当前SiPM设计方案的可行且简化的替代方案。

ABSTRACT

A new Geiger mode avalanche photodiode, the Micro Pixel Photon Counter (MPPC), was recently released by Hamamatsu. It has a high photo-detection efficiency in the 420 nm spectral region. This product can represent an elegant candidate for the design of a high granularity scintillator based hadron calorimeter for the International Linear Collider. In fact, the direct readout of the blue scintillation photons with a MPPC is a feasible techological solution. The readout of a plastic scintillator by a MPPC, both mediated by the traditional wavelength shifting fiber, and directly coupled, has been systematically studied.

研究动机与目标

• 评估新一代MPPC在高颗粒度强子量能器中直接读出蓝色发光闪烁体的可行性。
• 比较MPPC直接耦合与传统绿色波长移位光纤介导读出在塑料闪烁体中的性能表现。
• 确定MPPC在不同过压条件下对ILC级要求的信号收集效率、暗噪声和动态范围。
• 评估MPPC在CALICE HCAL原型中替代当前SiPM的潜力，以实现性能提升和结构简化。
• 研究像素数量（400与1600）对信号线性度、均匀性和动态范围的影响。

提出的方法

• 将一块3×3×0.5 cm³的塑料闪烁体晶片直接耦合至1600或400像素的MPPC，未使用光学耦合剂，确保接触重复性在3%以内。
• 第二种配置采用嵌入闪烁体中的绿色波长移位光纤（Y11(200)）将光耦合至MPPC，模拟当前CALICE原型的设计。
• 利用¹⁰⁶Ru β源测量MPPC对最小电离粒子（mip）的响应，信号通过QDC在80 ns符合门控内放大并积分。
• 通过多高斯函数拟合MPPC脉冲幅度谱并分析峰面积，提取光电子产额的最可能值（MPV）。
• 通过基于基底噪声的阈值定义，测量高于该阈值的mip信号比例，计算信号收集效率。
• 在不同过压（高于击穿电压2.5–3.5 V）下表征暗计数率、串串扰和增益，以评估在ILC占用率约束下的噪声性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 MPPC能否以足够的效率和信噪比直接探测塑料闪烁体发出的蓝色闪烁光，满足ILC强子量能器测量需求？
• RQ2 MPPC在直接耦合与波长移位光纤介导读出之间的信号收集效率有何差异？
• RQ3 MPPC在何种过压条件下可实现高信号收集效率与低暗噪声的最优平衡，以满足ILC触发要求？
• RQ4 像素数量（400与1600）如何影响基于MPPC的量能器读出系统的动态范围和线性度？
• RQ5 MPPC能否在性能上达到或超越当前CALICE HCAL原型中的SiPM，特别是在动态范围和信号均匀性方面？

主要发现

• 1600像素MPPC在过压2.5–3.5 V（高于击穿电压）时，信号收集效率达到97%，每最小电离粒子（mip）的最可能光电子数为6–7个。
• 400像素MPPC表现出98%的信号收集效率，但因像素数较少，动态范围受限，限制了其在高亮度环境中的应用。
• 在0.5像素阈值下，1600像素MPPC的暗计数率为40 kHz，400像素MPPC为230 kHz；串串扰分别为4.3%和3.5%，在高于2–4像素阈值工作时均低于ILC占用率阈值。
• MPPC直接耦合闪烁体实现了97%的信号收集效率，与光纤介导方法相当，但因像素数更高，动态范围更广。
• 无论采用直接耦合还是光纤介导读出，MPPC在信号效率（98%）和动态范围方面均优于当前SiPM，尤其在高过压条件下表现更优。
• 本研究证实，MPPC是高颗粒度量能器中SiPM的可行且简化的替代方案，具备提升性能和降低系统复杂度的潜力。