CRILIN 熱量計：晶體與矽光電倍增管的伽馬輻射抗性研究

核心概念

CRILIN 熱量計使用的氟化鉛 (PbF2) 晶體和矽光電倍增管 (SiPM) 展現出對伽馬輻射的抵抗力，證明了其在 μ 子對撞機等高輻射環境中的應用潛力，但仍需進一步提升晶體生產的均勻性。

摘要

CRILIN 熱量計元件輻射抗性研究報告

研究背景

為探索高能物理領域，研發新型粒子加速器至關重要。μ子對撞機具備產生更高能量和更純淨碰撞的潛力，但也面臨著輻射環境嚴苛的挑戰。CRILIN 熱量計基於氟化鉛 (PbF2) 晶體和矽光電倍增管 (SiPM) 技術，為 μ 子對撞機探測器提供了潛在方案。

研究目的

本研究旨在評估 CRILIN 熱量計關鍵元件的輻射抗性，模擬 μ 子對撞機 10 年的運行壽命，測試 PbF2 晶體和 SiPM 在約 10 kGy 伽馬輻射劑量下的性能表現。

研究方法

• 使用 Calliope 輻射設施對 PbF2 晶體和 SiPM 進行伽馬射線照射。
• 通過測量晶體在不同輻射劑量下的透射率變化來評估其輻射硬度。
• 分析 SiPM 在輻射前後的暗電流和擊穿電壓變化，比較偏壓和未偏壓 SiPM 的差異。

主要發現

• PbF2 晶體在輻射後透射率下降，但經過一段時間後部分恢復，但不同晶體樣品之間存在差異，表明生產均勻性需改進。
• PWO-UF 晶體展現出優異的輻射硬度，透射率在高輻射劑量下保持穩定。
• SiPM 的暗電流在輻射後顯著增加，未偏壓樣品的增幅更為明顯。偏壓 SiPM 在輻射期間表現出一定的保護效應。

主要結論

• PbF2 晶體和 SiPM 具備應用於高輻射環境的潛力，但需進一步優化晶體生產工藝以提高均勻性。
• PWO-UF 晶體展現出優異的輻射硬度，是高輻射應用場景的理想選擇，但需考慮其較高的成本。

未來研究方向

• 研究中子輻射對晶體和 SiPM 的影響。
• 對包含晶體和 SiPM 的完整熱量計原型進行輻射測試，評估整體性能。

統計資料

模擬 μ 子對撞機 10 年的運行壽命，測試 PbF2 晶體和 SiPM 在約 10 kGy 伽馬輻射劑量下的性能表現。
PbF2 晶體在輻射後透射率下降，但經過一小時後部分恢復。
PWO-UF 晶體展現出優異的輻射硬度，透射率在高輻射劑量下保持穩定。
SiPM 的暗電流在輻射後顯著增加，未偏壓樣品的增幅更為明顯，增加了近兩個數量級。

引述

"These results underscore the viability of PbF2 for radiation-tolerant calorimeters, though improvements in production homogeneity are needed."
"The superior performance of PWO-UF crystals suggests they are a promising alternative for high-radiation applications, but their higher cost must be carefully considered."

從以下內容提煉的關鍵洞見

The CRILIN calorimeter: gamma radiation resistance of crystals and SiPMs

by A. Cemmi, B.... 於 arxiv.org 10-25-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.18731.pdf

深入探究

除了晶體和 SiPM，μ 子對撞機探測器還面臨哪些其他輻射硬度挑戰？

除了晶體和 SiPM，μ 子對撞機探測器還面臨著許多其他輻射硬度挑戰，這些挑戰主要來自 μ 子衰變產生的高能粒子流。以下列舉一些關鍵挑戰：

前端電子元件： μ 子對撞機探測器中的前端電子元件，例如放大器、整形器和類比數位轉換器 (ADC)，都必須能夠承受高輻射劑量。輻射會導致這些元件性能下降，例如增加雜訊、降低增益和改變線性度。
數據讀出系統： μ 子對撞機探測器將產生大量的數據，這些數據必須快速且可靠地讀出。輻射會損壞數據讀出系統中的光纖、電纜和電子元件，導致數據丟失或錯誤。
探測器材料： 除了晶體，探測器中使用的其他材料，例如塑料閃爍體、氣體探測器和矽微條探測器，也必須具有抗輻射性。輻射會導致這些材料性能下降，例如降低光輸出、改變氣體增益和增加漏電流。
探測器冷卻系統： 許多探測器需要冷卻系統來維持其工作溫度。輻射會損壞冷卻系統中的材料和元件，導致冷卻效率降低甚至失效。
克服這些挑戰需要開發新的抗輻射材料、電子元件和探測器設計。此外，還需要對輻射損傷進行詳細的模擬和實驗研究，以便準確評估探測器的性能並優化其設計。

成本考量之外，是否有其他因素限制了 PWO-UF 晶體在高輻射環境中的應用？

除了成本考量，以下因素也可能限制 PWO-UF 晶體在高輻射環境中的應用：

輻射損傷恢復時間： 儘管 PWO-UF 晶體在本文研究中展現出優異的抗輻射性，但長時間暴露於高輻射環境下，其光輸出仍可能隨時間推移而衰減。輻射損傷的恢復時間也是評估晶體適用性的重要指標。
溫度效應： PWO-UF 晶體的光輸出對溫度變化敏感。在高輻射環境中，溫度變化可能相當劇烈，這可能會影響晶體的性能和穩定性。
機械性能： PWO-UF 晶體的機械性能，例如抗斷裂性和抗熱震性，也需要在高輻射環境中進行評估。
生產規模： 目前 PWO-UF 晶體的生產規模相對較小，可能無法滿足大型探測器的需求。

如何在保證性能的前提下，降低高輻射環境下粒子探測器的製造成本？

降低高輻射環境下粒子探測器製造成本的同時保證性能，可以從以下幾個方面著手：

開發低成本抗輻射材料： 積極研發和使用低成本且具備抗輻射性的替代材料，例如新型晶體、塑料閃爍體或氣體探測器，可以有效降低製造成本。
優化探測器設計： 通過優化探測器設計，例如減少材料使用量、簡化結構和採用模組化設計，可以降低製造成本，同時保持探測器性能。
改進生產工藝： 提高生產效率、降低生產過程中材料的浪費以及採用自動化生產線，都能有效降低製造成本。
輻射屏蔽： 在探測器周圍使用適當的輻射屏蔽材料，例如鉛、混凝土或聚乙烯，可以降低探測器所受的輻射劑量，從而降低對抗輻射材料的需求，進而降低成本。
輻射硬化技術： 採用輻射硬化技術，例如使用抗輻射電子元件、優化電路設計和採用軟體校正方法，可以提高探測器在高輻射環境下的性能，從而降低對昂貴抗輻射材料的需求。
需要注意的是，降低成本的同時必須確保探測器的性能和可靠性。因此，在選擇材料、設計和生產工藝時，需要綜合考慮成本和性能因素，並進行嚴格的測試和驗證。