Long-term performance of non-ALD MCP-PMTs in the high-radiation environment of ALICE
Dit artikel toont aan dat niet-ALD Planacon MCP-PMT's die worden gebruikt in de ALICE Fast Interaction Trigger een uitstekende tijdsresolutie kunnen behouden tot een geïntegreerde anode lading van 2 C/cm² door middel van lage-gain operatie, terwijl het ook onthult dat hun effectieve veroudering gedeeltelijk wordt gemitigeerd door zelfherstel tijdens beam-off perioden en dat ruiskenmerken vóór bestraling snellere verouderingsuitschieters kunnen voorspellen.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
In het hart van Europa, onder de grens tussen Frankrijk en Zwitserland, laat een enorme machine die bekend staat als de Large Hadron Collider deeltjes op elkaar botsen met snelheden die de lichtsnelheid benaderen. Wanneer deze botsingen plaatsvinden, creëren ze een regen van nieuwe deeltjes die in alle richtingen naar buiten vliegen. Om de fundamentele bouwstenen van het universum te begrijpen, moeten wetenschappers deze vluchtige fragmenten opvangen en ze met extreme precisie meten. Een van de meest kritieke taken is het exact bepalen van wanneer een botsing heeft plaatsgevonden. Als de timing zelfs maar een fractie van een seconde afwijkt, wordt de data een waas en gaat het verhaal van de botsing verloren. Om dit op te lossen, gebruikt het ALICE-experiment, een van de belangrijkste detectoren bij de collider, een gespecialiseerd systeem dat is ontworpen om te fungeren als een hogesnelheidsstopwatch. Dit systeem vertrouwt op een fenomeen genaamd het Tsjerenkov-effect, dat optreedt wanneer een geladen deeltje zich door een transparant materiaal beweegt sneller dan het licht door datzelfde materiaal kan reizen. Dit creëert een zwakke blauwe flits, vergelijkbaar met een sonische knal maar dan voor licht. Door deze flits op te vangen met gevoelige camera's, kan de detector de botsing met ongelooflijke nauwkeurigheid vastleggen, tot op enkele biljoontjes van een seconde.
Het is echter een enorme uitdaging om deze camera's werkend te houden in een zulke gewelddadige omgeving. Het gebied waar de botsingen plaatsvinden, is overspoeld met straling en een onophoudelijke stroom deeltjes. De sensoren moeten gevoelig genoeg zijn om een enkele flits licht te detecteren, maar tegelijkertijd robuust genoeg om te overleven terwijl ze elke seconde worden gebombardeerd door miljarden deeltjes zonder te slijten. Het ALICE-team rapporteerde onlangs over de langetermijnprestaties van de specifieke sensoren die zij voor deze taak hebben gekozen, bekend als microchannel plate fotomultiplicatorbuizen. Dit zijn vacuümbuizen gevuld met miljoenen minuscule glazen kanaaltjes die een enkel foton van licht versterken tot een meetbaar elektrisch signaal. De onderzoekers ontdekten dat hoewel deze sensoren in de loop van de tijd degraderen door het zware gebruik, ze effectief werkend gehouden kunnen worden door hun werkspanning aan te passen. Nog verrassender was de ontdekking dat de sensoren een verborgen vermogen hebben om zichzelf te genezen wanneer de machine wordt uitgeschakeld voor onderhoud, waarbij ze een deel van hun verloren gevoeligheid terugwinnen zonder enige menselijke tussenkomst.
De ALICE-detector is uitgerust met een subsysteem genaamd de Fast Interaction Trigger, dat zich zeer dicht bij het botsingspunt bevindt om de allereerste momenten van een botsing te monitoren. Dit systeem maakt gebruik van tweeënvijftig van deze gespecialiseerde lichtsensoren, gerangschikt in twee arrays. De binnenste sensoren staan tegenover het meest intense verkeer en hebben te maken met een fotonenbelasting die gelijk staat aan tweehonderd miljoen foto-elektronen per vierkante centimeter per seconde. Dit is een enorme hoeveelheid elektrische stroom voor zo's een delicaat apparaat. Om dit te kunnen hanteren, koos het team voor een specifieke versie van de sensor die geen speciale atomaire coating gebruikt die bedoeld is om de levensduur te verlengen, omdat die coating de sensor te zwak zou hebben gemaakt om de hoge stroom te weerstaan. In plaats daarvan gebruikten ze de standaardversie, waarbij ze accepteerden dat de sensor sneller zou verouderen, maar erop wedden dat ze de slijtage konden beheersen door zorgvuldige bediening.
Gedurende meerdere jaren van bedrijf volgden de onderzoekers hoe deze sensoren presteerden onder de onophoudelijke bombardementen. Ze monitorden de totale elektrische lading die door elke sensor stroomde, een maatstaf voor hoeveel werk het apparaat had verricht. Tegen de tijd van hun rapportage hadden de meest intensief gebruikte sensoren een lading van twee coulomb per vierkante centimeter geaccumuleerd. Zoals verwacht begonnen de sensoren hun gevoeligheid te verliezen; de meest versleten eenheden produceerden nog slechts ongeveer veertig procent van het signaal dat ze ooit produceerden. De onderzoekers ontdekten echter een eenvoudige manier om dit verlies te compenseren. Door de spanning die aan de sensoren werd geleverd geleidelijk te verhogen, waren ze in staat om het signaal terug te brengen naar de oorspronkelijke sterkte. Cruciaal was dat deze aanpassing de timingprecisie niet verpestte. Zelfs met de verouderde sensoren en de hogere werkspanning behield het systeem zijn vermogen om tussen botsingen te onderscheiden met een tijdsresolutie van ongeveer zeventien picoseconden voor protonbotsingen, en zelfs beter voor zwaardere loodionenbotsingen. Dit bewees dat de sensoren in de harde omgeving van het voorwaartse deel van de detector konden overleven, mits het team bereid was de stroominstellingen aan te passen naarm
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.