Avancées dans les systèmes de chronométrage pour la recherche sur les ions lourds

L'expérience externe du Cooling Storage Ring (CSR) (CEE) se déroule à l'installation de recherche sur les Ions lourds à Lanzhou, en Chine. Ce site a pour objectif d'étudier les propriétés physiques de la matière dense lorsque des ions lourds entrent en collision à des niveaux d'énergie élevés. Les chercheurs veulent en savoir plus sur le comportement de la matière dans des conditions extrêmes, comme une haute densité et température.

Le CEE fonctionne comme un spectromètre, un outil qui aide les scientifiques à analyser les particules produites lors des collisions d'ions lourds. Un composant crucial de ce système est le système de Temps de vol (TOF), qui aide à identifier les particules chargées générées lors de ces collisions. Le système TOF a trois parties principales : T0, TOF interne et TOF externe.

Le détecteur T0 est responsable de fournir un temps de départ précis pour le système TOF. Il fait cela en mesurant le moment où le faisceau d'ions lourds le traverse. Cet article va couvrir la conception, la simulation et les tests du détecteur T0.

#L'importance du T0

Dans des expériences comme le CEE, les scientifiques veulent mesurer diverses caractéristiques des particules créées lors des collisions d'ions lourds. Les données de timing sont essentielles pour comprendre ces particules. Le détecteur T0 doit être très précis, avec une résolution de timing de moins de 30 picosecondes (ps) pour atteindre les objectifs du CEE.

#Conception du détecteur T0

Le détecteur T0 utilise un Scintillateur plastique fin pour détecter les particules. Quand des ions traversent le scintillateur, ils déposent de l'énergie, ce qui fait émettre de la lumière au scintillateur. Cette lumière est ensuite collectée par des photomultiplicateurs en silicium (SiPM), qui convertissent la lumière en signaux électriques mesurables.

Pour un fonctionnement efficace, le détecteur T0 a été construit avec une plaque de scintillateur mesurant 200 mm par 100 mm, avec une épaisseur variable selon le type de faisceau d'ions lourds. Pour capter la lumière émise efficacement, deux guides de lumière sont attachés au scintillateur, menant à 16 SiPM de chaque côté.

Le choix des matériaux est crucial. Le scintillateur doit être assez robuste pour résister aux collisions mais assez fin pour minimiser la perte d'énergie. La conception permet aussi des caractéristiques inhérentes qui optimisent la collecte de lumière pour un timing plus précis.

#Études de simulation

Pour évaluer l'efficacité du détecteur T0 avant les tests physiques, des simulations ont été réalisées avec un programme appelé GEANT4. Ce programme aide à modéliser comment les particules interagissent avec le détecteur.

L'étude a examiné les dépôts d'énergie dans le scintillateur pour différents ions lourds, y compris le carbone, l'argon et l'uranium. Les résultats ont montré que les ions plus lourds déposaient plus d'énergie que les plus légers. Les simulations ont révélé des informations importantes sur la façon dont le scintillateur réagirait dans diverses conditions.

Un autre aspect clé de la simulation était le calcul du nombre de photons produits lorsque les particules interagissaient avec le scintillateur. Ces informations sont cruciales pour déterminer dans quelle mesure le détecteur peut identifier les particules en fonction de leur timing.

#Performance de timing

La performance de timing du détecteur T0 mesure à quel point il peut enregistrer avec précision le temps de départ des interactions des particules. Il était essentiel d'évaluer la résolution de timing du système. En utilisant une méthode appelée discrimination de fraction constante, les scientifiques ont pu analyser les signaux reçus de chaque SiPM.

En moyennant les signaux de tous les SiPM, les chercheurs ont calculé un temps de référence qui indique quand le faisceau a traversé le détecteur. Les meilleurs résultats de timing provenaient de l'utilisation d'une moyenne pondérée, qui prend en compte les réponses variables de chaque SiPM.

#Effets de la radiation

Lorsque des ions lourds passent à travers le détecteur T0, ils peuvent endommager le scintillateur avec le temps. Il est crucial d'étudier comment la radiation affecte la performance et la durée de vie du détecteur. Cette enquête aide à garantir que le détecteur reste fonctionnel tout au long des essais expérimentaux.

Les tests ont indiqué qu'après un certain niveau d'exposition à la radiation, le scintillateur perdrait son efficacité. Pour contrer cette dégradation, une plateforme mobile en deux dimensions a été intégrée dans le système du détecteur T0. Cette plateforme permet d'ajuster le point de contact du faisceau avec le scintillateur, prolongeant ainsi sa durée de vie utilisable.

#Électronique de lecture

L'électronique de lecture joue un rôle crucial dans la mesure des signaux des SiPM. Le système comprend un module électronique de première ligne et un module de numérisation temporelle pour capturer avec précision les informations de timing.

Une caractéristique innovante de l'électronique de lecture est un système de compensation de température. Il mesure et ajuste les changements de température qui pourraient affecter la performance des SiPM.

#Tests de faisceau d'ions lourds

Pour s'assurer que le détecteur T0 respectait les exigences de performance, des tests approfondis ont été réalisés avec des faisceaux d'ions lourds. Le prototype a été testé avec un faisceau d'argon dans des conditions contrôlées, permettant aux scientifiques d'observer comment le détecteur réagissait dans des conditions réelles.

Lors de ces tests, le nombre moyen de photoélectrons produits par les SiPM lors de la détection des particules a été enregistré. Ces données sont cruciales pour calculer la précision du timing du détecteur et son efficacité globale.

#Conclusion

Le détecteur T0 est un composant essentiel du CEE, fournissant des données de timing critiques nécessaires pour analyser les particules générées lors des collisions d'ions lourds. Grâce à une conception soignée, des études de simulation et des tests rigoureux, les chercheurs ont développé un prototype qui respecte les exigences strictes de l'expérience.

Le détecteur T0 a démontré une résolution de timing impressionnante de moins de 30 ps. Cette performance est clé pour aider les scientifiques à comprendre les propriétés de la matière à des densités et températures extrêmes, contribuant finalement aux avancées dans la recherche en physique nucléaire.