[论文解读] Tests of a High Resolution Time of Flight System Based on Long and Narrow Scintillator
本文提出一种使用长而窄的荧光体块（2.5×2.5×200 cm）耦合光电倍增管的高时间分辨率飞行时间（TOF）系统，实现了亚100皮秒的时间分辨率。采用Amperex XP2020/UR和Hamamatsu R2021光电倍增管，系统分别实现了71皮秒和81皮秒的时间分辨率，体块荧光体的性能优于闪烁纤维块，主要归因于其更高的内部全反射率。
We have tested a prototype time-of-flight system based on bulk scintillator block of dimensions $2.5 imes 2.5 imes 200$ cm. Using a calibration scheme similar to the one used in actual collider experiments, we have achieved a resolution of 71 ps using Amperex XP2020/UR photomultipliers and 81 ps using proximity-focusing fine-mesh photomultipliers (Hamamatsu R2021). Results are also obtained for scintillating fiber blocks of the same dimensions. Good internal reflectivity of the bulk scintillator block resulted in resolutions superior to the fibre blocks. A single-photon pulsed laser system was used to study photomultipliers and the results were used in a Monte Carlo simulation of the system to study the critical elements that determine the resolution.
研究动机与目标
- 开发并测试用于粒子物理应用的高时间分辨率飞行时间系统。
- 评估在长而窄几何结构中，体块荧光体块与闪烁纤维块的时间性能表现。
- 比较两种光电倍增管（标准型Amperex XP2020/UR与近场聚焦细网格型Hamamatsu R2021）所实现的时间分辨率。
- 通过激光校准与蒙特卡罗模拟，识别影响时间分辨率的关键系统组件。
- 利用单光子脉冲激光系统对光电倍增管进行精确表征，以验证系统性能。
提出的方法
- 使用尺寸为2.5×2.5×200 cm的体块荧光体块构建了原型飞行时间系统。
- 将光电倍增管（Amperex XP2020/UR与Hamamatsu R2021）耦合至荧光体块的两端，以探测闪烁光。
- 采用单光子脉冲激光系统对光电倍增管的响应及时间分辨率进行校准与表征。
- 采用与实际对撞机实验中相似的校准方案测量时间分辨率。
- 利用激光数据进行蒙特卡罗模拟，以建模并分析关键系统组件对时间分辨率的贡献。
- 对相同尺寸的体块荧光体块与闪烁纤维块的性能进行了对比。
实验结果
研究问题
- RQ1在使用标准型与细网格型光电倍增管的长而窄荧光体块系统中，可实现多高的时间分辨率？
- RQ2在相同尺寸下，体块荧光体块的时间分辨率与闪烁纤维块相比如何？
- RQ3通过激光校准与模拟揭示，限制此类系统时间分辨率的主要因素是什么？
- RQ4光电倍增管的特性（如渡越时间展宽与后脉冲效应）如何影响系统性能？
- RQ5荧光体块的内部反射率在多大程度上影响整体时间分辨率？
主要发现
- 采用Amperex XP2020/UR光电倍增管的系统实现了71皮秒的时间分辨率。
- 采用近场聚焦细网格光电倍增管（Hamamatsu R2021）的系统实现了81皮秒的时间分辨率。
- 由于内部反射率更高，体块荧光体块表现出优于闪烁纤维块的时间分辨率。
- 激光校准结果表明，光电倍增管的渡越时间展宽与后脉冲特性是限制时间分辨率的关键因素。
- 基于激光数据的蒙特卡罗模拟成功复现了实测的时间分辨率，并有助于识别主要的性能限制组件。
- 结果证实，采用高性能光电倍增管与长而窄荧光体块的组合，可在高能物理实验中实现高分辨率TOF系统。
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