[论文解读] The "miniskirt" counter array at CDF-II

A. Artikov, G. Bellettini+13 more|ArXiv.org|Sep 20, 2002

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 4被引用 5

一句话总结

本文详细描述了费米实验室Tevatron对撞机CDF-IIμ子探测器升级中'迷你裙'闪烁计数器阵列（MSX）的设计、修改、测试与安装过程。为解决空间限制导致无法完整安装光导读出系统的问题，采用了波长位移（WLS）光纤，并在光纤端部镀铝反光膜，结合紧凑型光电倍增管（PMT），实现了≤2.2 ns的时间分辨率，足以满足顶夸克与希格斯玻色子物理研究中的本底抑制需求。

ABSTRACT

As a part of the CDF Upgrade for Run-II of the Tevatron collider, the azimuthal coverage of the muon detectors between pseudorapidities of 0.6 and 1.2 was completed by the insertion of stacks of drift chambers and scintillation counters, which came to be known as the "miniskirts" because they cover lower 90^o in azimuth. The design and construction of the miniskirts was rather complex and posed special problems because of its interference with the floor and the supports of the central detector. The original design parameters of the "miniskirt" scintillator counters for the CDF Muon System are presented and the modifications, testing and installation of these counters in the course of the CDF Upgrade Project are described in detail

研究动机与目标

• 扩展CDF-IIμ子探测器在伪快度范围0.6 < |η| < 1.2内的方位角覆盖范围，该区域在Run-I中未完全覆盖。
• 解决机械与空间限制问题，使标准光导读出系统无法完整安装于迷你裙计数器中。
• 确保时间分辨率足够用于顶夸克与希格斯玻色子物理研究中的本底抑制，特别是针对$t\overline{t}$和$J/\Psi \to \mu^+\mu^-$衰变。
• 开发并实现一种可靠的WLS光纤读出系统，采用镀铝光纤端面以最大化光收集效率并最小化时间不确定性。
• 在全面安装前，利用宇宙射线与束流条件对MSX计数器的性能进行校准与验证。

提出的方法

• MSX采用截面为梯形的NE114闪烁体计数器（厚度15 mm），与原始设计中20 mm厚的CSX计数器不同。
• 标准MSX计数器采用双端读出，使用2" EMI型PMT与弯曲有机玻璃光导；但因空间限制，四个计数器（MSX′）改用直径1 mm的Y11 WLS光纤。
• 使用BC-600光学胶将15根纤维组成的WLS纤维带（15-fiber bundles）粘接至闪烁体长边，以实现高效光收集。
• 在WLS光纤远端表面蒸发铝涂层，形成“镜面”端面，实现70–90%的反射效率，以增强光收集能力。
• 使用快速蓝色LED（Nichia NSPB310A）对PMT进行校准，以提取校准常数k（每光电子对应通道数），并据此通过公式$n_{pe} = (\overline{Q} - Q_o) / (k/A)$确定计数器灵敏度。
• 利用宇宙μ子望远镜（含两个15×15×2 cm³闪烁体）测量时间分辨率，结合TDC与时间测量器，评估时间分辨率与系统效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在CDF-IIμ子系统中，如何在0.6 < |η| < 1.2范围内实现90°方位角间隙的有效μ子探测？
• RQ2 当机械限制导致无法在迷你裙计数器中安装标准光导时，可采用何种替代读出方法？
• RQ3 采用镜面端面的WLS光纤读出系统能否实现Run-II物理应用所需的时间分辨率？
• RQ4 最终MSX′设计的可实现时间分辨率是多少？与本底抑制需求相比如何？
• RQ5 信号在计数器长度方向上的时间漂移变化如何影响整体性能与系统稳定性？

主要发现

• 采用镜面端面的WLS光纤读出系统实现了总时间分辨率（$\sigma_{\text{tot}}$）≤2.2 ns，满足Run-II物理研究中本底抑制的需求。
• 经触发计数器不确定性（1.1 ns）修正后，平均时间分辨率在不同位置保持一致，最远端（X3）的不确定性最高，可能源于光导中的切伦科夫光贡献。
• 采用铝涂层镜面端面显著提升了光反射效率至70–90%，相比未涂层光纤大幅改善了信号收集效率。
• 通过校准PMT参数与公式$n_{pe} = (\overline{Q} - Q_o) / (k/A)$，测得计数器灵敏度，结果见表2。
• 最终设计（含WLS光纤读出与紧凑型Hamamatsu H5783 PMT）已成功通过测试与安装，截至2002年秋季，三个标准MSX段已投入运行。
• 通过YMON程序进行的占用率监测确认了在束流与宇宙射线条件下系统运行稳定，未观察到显著噪声或增益不稳定性。