Hit-rate capability of a silicon strip detector module for decay positron detection in the J-PARC muon $g-2$/EDM experiment

技术摘要：用于 J-PARC μ $g-2$/EDM 实验的硅条探测器模块的命中率能力

问题陈述
J-PARC μ $g-2$/EDM 实验旨在利用一种涉及将热μ子束加速至 300 MeV/$c$ 的独特技术，来测量 μ 子反常磁矩和电偶极矩。该方法使用一个直径 66 cm、磁场为 3 T 的紧凑型存储环，消除了引入系统偏差的电场需求。该装置的一个关键组件是全追踪探测器，旨在重建半径 290 mm、高度 400 mm 空间内的 μ 子衰变正电子。

本研究解决的主要挑战是数据采集期间预期的极端瞬时命中率。在靠近 μ 子束轨道处，衰变正电子通量产生的空间密度为 15 MHz/cm²，导致每个传感器条的最大命中率为 1.4 MHz。在这种条件下，模拟前端电子设备中的信号堆积（pileup）可能导致命中信号丢失，从而可能导致径迹重建失败。该实验要求探测器能够在这些高速率条件下保持高检测效率。

方法论
为了满足这些要求，作者开发了一种“四分之一扇形”（quarter vane）探测器模块，作为径向追踪系统的最小单元。该模块由以下部分组成：

• 传感器： 四块单面 p-on-n 硅条传感器（Hamamatsu S13804），具有 190 $\mu$m 的条间距和 48.365 mm 的条长度，排列在玻璃环氧树脂框架上。
• 前端电子设备： 定制的 ASIC（SliT128D），每块包含 128 个通道，配备 CR-RC 整型放大器（脉冲宽度 < 100 ns）和用于时间行走（time-walk）校正的微分器。系统以 200 MHz 的采样率运行。
• 读出： 一个基于 FPGA 的板卡（FRBS），利用 SiTCP 协议进行数据传输。

该模块的性能在 J-PARC MLF H-line 的 MuSEUM 实验装置中通过 μ 子束测试进行了评估。该装置提供了一个高强度脉冲式 μ 子束（约 $1 \times 10^8$ $\mu^+$/s），具有双束结构，模拟了与 $g-2$/EDM 实验相关的强速率环境。评估重点包括：

1. 噪声特性： 测量等效噪声电荷（ENC）并优化阈值时间（ToT）切断，以排除非束流噪声。
2. 命中率能力： 分析信号命中的时间谱，以量化由于堆积导致的效率损失。分析窗口设置为在第二个 μ 子束到达后 400 ns 开始的 20 $\mu$s 内。观察到的时间谱使用一个包含与命中率成正比的效率损失项的模型进行拟合。

主要贡献与结果
本文介绍了硅条探测器模块的设计、构建和性能验证。主要发现包括：

• 噪声性能： 测得的平均等效噪声电荷为 0.200 fC（约为 MIP 电荷的 1/18），证实了电子噪声相对于信号而言是可以忽略不计的。建立了 > 20 ns 的 ToT 切断，在保持 > 90% 信号效率的同时，实现了大于 $9 \times 10^4$ 的信噪比。
• 堆积特性： 研究表明，由于堆积导致的信号命中损失与命中率近似成正比。
• 目标速率下的效率： 在实验预期的最大命中率 1.4 MHz/条下，测得的最大效率损失为 10%。
• 对重建的影响： 鉴于来自信号动量径迹（200–275 MeV/$c$）的预期命中数约为 50 个，作者估计 10% 的命中损失对整体径迹重建效率的影响可以忽略不计。

意义
论文得出结论，所开发的硅条探测器模块满足了 J-PARC μ $g-2$/EDM 实验严格的性能要求。通过成功演示在 1.4 MHz 的目标命中率下仅有 10% 的效率损失，该模块证明了其能够承受实验设计中固有的高堆积条件。这种验证对于确保可靠重建全正电子径迹至关重要，而这正是 $g-2$ 和 EDM 测量精密度的基础。这项工作证实了快速整形前端电子设备与特定传感器几何结构的结合，可以在 J-PARC 存储环的高通量环境中有效运行。