The scintillating fibre beam monitor for the CHNet-MAXI experiment at ISIS: characterisation of the light collection and detection system
本文介绍了为用于 ISIS 实验中 CHNet-MAXI 项目的非破坏性同位素分析而开发的、一种使用 SiPM 阵列的定制闪烁纤维束流监测器的设计、光学特性表征及 Geant4 模拟。
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在古代历史的静谧研究中，铅是一种沉默的叙述者。几个世纪以来，工匠们将这种金属塑造成从罗马管道到文艺复兴雕塑的一切物品，然而，这些器物所用矿石的具体来源往往仍是一个谜。铅原子的不同稳定形式（被称为同位素）就像一种化学指纹，揭示了该金属最初被开采的矿井。然而，如何在不损坏珍贵文物的情况下读取这种指纹，长期以来一直是一个挑战。一种使用被称为“缪子”（muons）的亚原子粒子束的新方法，提供了一种非破坏性窥探这些物体内部的方法。当一个缪子被铅原子捕获时，它会触发一系列能量级联，从而揭示原子的身份。为了使这项技术奏效，科学家必须首先掌握引导和计数这些瞬态粒子的艺术，并保持极高的精准度，确保每一次测量都准确无误，且每一件文物都保持原样。
在英国的 ISIS 中子与缪子源，一个研究团队正在为一项名为 CHNet-MAXI 的重大实验做准备，该实验旨在解开文化遗产中铅的秘密。在他们开始对古代文物进行研究之前，必须先建造并测试一种专门的工具：束流监测器。该设备充当粒子束的高速摄像机，精确追踪在任何时刻有多少个缪子经过以及它们的确切位置。该监测器由两层扁平的塑料纤维组成，每根纤维都是一根宽 3 毫米、长 10 厘米的小型方形管。这些纤维排列成网格，其中一层测量水平位置，另一层测量垂直位置。当粒子撞击纤维时，会产生一道闪光，随后由被称为硅光电倍增管（silicon photomultipliers）的灵敏电子眼捕捉。整个组件是由 64 根纤维组成的精细网格，每根纤维都连接着自己的电子传感器，并全部安置在一个定制的 3D 打印外壳内。
研究人员知道，要使实验成功，这个监测器必须是完美的。他们需要准确了解光是如何在纤维中传输的，以及电子传感器是如何对其做出响应的。为此，他们求助于强大的计算机模拟。通过创建一个探测器的虚拟模型，他们可以观察一束缪子穿过纤维时的行为。模拟显示，在实验选定的特定能量水平下，缪子会穿过第一层纤维，然后停留在第二层内，以一种可预测的方式沉积能量。这种计算机建模至关重要，因为它帮助团队计算出一个修正因子，即为了将原始电信号转换为准确的粒子计数而需要的数学调整。模拟表明，由于纤维排列得非常紧密，几乎每个缪子都会至少撞击一根纤维，这意味着修正因子将非常接近于 1，从而显著简化了最终的计算。
在理论准备就绪后，团队带着探测器前往意大利的一个不同设施——CNAO 中心，使用质子束对其进行测试。这是一场使用不同类型粒子的彩排，但它允许他们检查硬件和数据采集系统。他们向探测器发射了一束质子，并在屏幕上观察结果。设备工作正常，成功绘制出了束流的形状，并证实了电子系统能够处理这项任务。然而，初步数据揭示了一个问题：响应并不均匀。即使受到相同数量的能量撞击，某些纤维报告的信号也比其他纤维强。这种不均匀性会扭曲古代文物的最终图像，使某些部分看起来比实际更亮或更暗。团队意识到，在让他们信任这个设备处理真正的缪子之前，必须平衡每一根纤维的灵敏度。
为了解决这个问题，研究人员使用伽马射线源进行了仔细的校准。他们将一个微型放射源放置在探测器上方，并测量了 6 4 根纤维中每一根的光输出。由于放射源以可预测的模式发射辐射，研究人员根据每根纤维距离放射源的距离，准确知道每根纤维应该产生多少光。他们将实际测量值与预期模式进行了对比。对于过于敏感的纤维，他们应用了微小的削减因子；对于过弱的纤维，则应用了提升。这一过程被称为“均衡化”（equalization），它平滑了各通道之间的差异。调整后，探测器产生了一幅清晰、均匀的束流图像，没有出现人为的热点或冷点。团队验证了这种校准并未改变束流的整体大小或位置，仅改变了信号在表面上的连贯性。
最后一步是将探测器带到 ISIS 设施，将其安装在束线上用于 CHNet-MAXI 实验。该设备现在已准备好作为实验的“眼睛”，计数每一个经过的缪子，并确保从古代铅样本中收集的数据得到正确的归一化处理。通过准确知晓有多少粒子撞击了样本，科学家们就可以在不接触文物的情况下，精确地确定同位素比例。这种闪烁纤维监测器的成功测试与校准代表了一个关键的里程碑。它将一个复杂的塑料与电子组合体转化为可靠的科学仪器，为考古学中的非破坏性分析开辟了一个新时代。从计算机模拟到最终校准的路径，确保了当第一件古代物体被扫描时，其结果将如它们所要揭示的历史一样清晰且真实。
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