Long-term performance of non-ALD MCP-PMTs in the high-radiation environment of ALICE

在欧洲心脏地带，在法国与瑞士的边界之下，一台被称为大型强子对撞机的巨型机器正以接近光速的速度碰撞粒子。当这些碰撞发生时，会产生向四面八方飞散的新粒子流。为了理解宇宙的基本构建块，科学家们必须捕捉这些转瞬即逝的碎片，并以极高的精度对其进行测量。其中一项最关键的任务是精确确定碰撞发生的时刻。如果时间偏差哪怕只有极小的微秒之差，数据就会变得模糊，碰撞的故事也会随之湮灭。为了解决这个问题，作为对撞机主要探测器之一的ALICE实验使用了一个专门设计的系统，其作用类似于一个高速秒表。该系统依赖于一种被称为切伦科夫效应（Cherenkov effect）的现象，即带电粒子在透明介质中运动的速度超过了光在该介质中的传播速度。这会产生一道微弱的蓝光闪烁，类似于光学的“音爆”。通过用灵敏的照相机捕捉这道闪光，探测器能够以惊人的精度对碰撞进行时间标记，精度可达几万亿分之一秒。

然而，在如此剧烈的环境中保持这些摄像机正常工作是一个巨大的挑战。碰撞发生的区域充斥着辐射和源源不断的粒子流。传感器必须既足够灵敏以探测到单次光闪，又要足够强韧，能够在每秒遭受数十亿粒子轰击的情况下而不损坏。ALICE团队最近报告了他们为这项工作所选用的特定传感器——微通道板光电倍增管（microchannel plate photomultiplier tubes）的长期性能。这些是充满数百万个微小玻璃通道的真空管，能将单个光子放大为可测量的电信号。研究人员发现，虽然这些传感器由于高强度使用会随时间发生退化，但可以通过调整工作电压来保持其有效工作。更令人惊讶的是，他们发现这些传感器在机器因维护而关闭期间具有一种隐藏的自我修复能力，能够在没有任何人工干预的情况下恢复部分失去的灵敏度。

ALICE探测器配备了一个名为快速相互作用触发器（Fast Interaction Trigger）的子系统，该系统紧邻碰撞点，用于监测碰撞发生的最初瞬间。该系统由五十个排列成两个阵列的此类专用光传感器组成。最内层的传感器面临着最剧烈的流量，处理的光子负载相当于每平方厘米每秒两亿个光电子。对于如此精密的设备来说，这是一个巨大的电流量。为了应对这一情况，团队选择了一个不使用旨在延长寿命的特殊原子涂层的特定版本传感器，因为那种涂层会使传感器过于脆弱，无法承受如此高的电流。相反，他们使用了标准版本，接受了它会老化得更快的事实，但押注于可以通过精细的操作来管理这种损耗。

在数年的运行过程中，研究人员追踪了这些传感器在持续轰击下的表现。他们监测了流经每个传感器的总电荷量，这是衡量设备完成工作量的一个指标。在提交报告时，使用最频繁的传感器已累积了每平方厘米两库仑的电荷。正如预期的那样，传感器开始失去灵敏度；最陈旧的单元产生的信号仅为最初的约百分之四十。然而，团队发现了一种简单的补偿方法：通过逐渐增加供给传感器的电压，他们能够将信号提升回原始强度。至关重要的是，这种调整并未破坏计时精度。即使在传感器老化且工作电压较高的状态下，该系统仍能保持区分碰撞的能力，其时间分辨率在质子碰撞时约为十七皮秒，而在较重的铅离子碰撞时表现甚至更好。这证明了只要团队愿意随着设备的磨损调整功率设置，传感器就能在探测器前部区域的恶劣环境中生存下来。

研究还表明，并非所有传感器的老化速度都相同。虽然大多数受光照程度相等的传感器退化速度几乎一致，但有两个特定的单元比其他传感器磨损得快得多。研究人员追溯了这些快速老化的单元，发现它们在实验开始前就已经是非常嘈壮的传感器。这表明，初始质量（特别是背景噪声水平）是决定单个组件在重度使用下能维持多久的重要预测指标。这一发现帮助科学家理解，虽然环境恶劣，但组件本身的特性在它们的生存中起着重要作用。

或许最有趣的发现出现在对撞机因技术维护而长期关闭期间。研究人员注意到，当传感器在黑暗中放置数月时，它们不仅仅是在闲置，实际上还在改善。在这些长时间的停机期间，老化的传感器自发地恢复了约百分之八的损失灵敏度。这种自我恢复过程是在没有任何设备或环境变化（环境保持恒定温度）的情况下发生的。那些没有显著老化的传感器没有表现出这种恢复现象，这表明这种修复过程专门与传感器所承受的磨损有关。团队在两次分别持续约一百六十天的停机期间都一致观察到了这一模式。尽管这种恢复背后的确切物理机制仍是一个谜，但这种效应是真实且可测量的。它表明，高电流造成的损伤并非完全永久，材料在休息时可以实现部分自我修复。

这项工作标志着这些特定传感器在首次大规模高能物理实验中的应用。结果表明，通过选择合适的传感器类型并管理好运行条件，可以在世界上辐射最强的环境之一运行高速计时探测器。团队证明了即使存在显著老化，探测器仍能保持研究宇宙微观粒子所需的精确计时。这种自我恢复现象的发现为这些设备的寿命增添了一层新的希望，表明对撞机的磨损可能并不像之前认为的那样永久。随着实验的继续，研究人员计划在当前运行结束时提取出老化最严重的传感器进行详细研究，希望能最终揭开它们能够“复原”的秘密。在此之前，探测器将继续精准跳动，以卓越的韧性捕捉宇宙碰撞的瞬息时刻。