DOI: https://doi.org/10.1088/1748-0221/21/01/p01010
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: J. Apilluelo وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث فيزياء النيوترينو
نظرة عامة
تقدم البحث LiquidO، وهو مفهوم جديد لكاشف الإشعاع يستخدم حصر الضوء العشوائي في وسط عالي التشتت لتعزيز الدقة المكانية في تتبع الجسيمات. يوضح الدراسة تطوير وتوصيف نموذج أولي يتكون من كاشف مضيء غير شفاف بحجم 30 مم مكعب، مزود بـ 64 ألياف تحويل الطول الموجي مرتبة في شبكة 8×8 ويتم قراءتها بواسطة مضاعفات ضوئية سيليكونية. تم اختبار الكاشف المضيء القائم على الشمع، الذي يتمتع بطول تشتت يبلغ حوالي 0.5 مم، باستخدام الميونات الناتجة عن الأشعة الكونية، محققًا دقة موضعية تبلغ 450 ميكرومتر لكل صف من الألياف. تؤكد هذه النتائج على إمكانية كواشف LiquidO في توفير دقة مكانية دقيقة لتتبع الجسيمات والتصوير.
في الختام، أظهر النموذج الأولي، الذي يحتوي على أكبر عدد من أجهزة استشعار الضوء (128) في أي كاشف LiquidO حتى الآن، تقدمًا كبيرًا في حصر الضوء مقارنةً بالكواشف المضيئة الشفافة التقليدية. كشفت التحليلات الحدثية أن أداء الكاشف غير الشفاف تفوق على كاشف مقسم بسيط بنفس المسافة، محققًا ضعف الدقة المتوقعة. هذه القدرة الفائقة على التصوير تضع تقنية LiquidO كبديل تنافسي للأنظمة القائمة على الكواشف المضيئة الحالية، خاصةً للتطبيقات التي تتطلب إعادة بناء موضعية بمقياس المليمتر وتحت المليمتر، مثل تصوير الميونات.
مقدمة
تقدم مقدمة ورقة البحث LiquidO كتقنية مبتكرة للكشف عن الإشعاع تستخدم حصر الضوء العشوائي داخل وسائط غير شفافة عالية التشتت. هذه الطريقة تعزز بشكل فعال جمع الفوتونات من خلال شبكة من الألياف المحولة للطول الموجي (WLS) الموجهة نحو مضاعفات ضوئية سيليكونية (SiPMs). يسمح هذا النهج بتصوير عالي الدقة وإعادة بناء دقيقة لطوبولوجيا الأحداث، مما يميز LiquidO عن الكواشف التقليدية التي تعتمد إما على أجهزة استشعار محيطة أو تقسم حجم الكشف جسديًا، مما قد يؤثر على الكفاءة ويزيد من التعقيد.
تسلط الورقة الضوء على العرض الناجح لمبادئ LiquidO من خلال نماذج أولية سابقة، مثل Mini-LiquidO، التي عرضت حصر الضوء العشوائي بحساسية عالية. تركز الدراسة الحالية على نموذج أولي لكاشف LiquidO مكون من 64 ألياف، يسمى كاشف Cube، الذي يحقق دقة موضعية تحت المليمتر في تتبع مسارات الميونات الناتجة عن الأشعة الكونية. يُعزى هذا التقدم إلى عدد غير مسبوق من قنوات القراءة (128)، مما يؤكد فعالية حصر الضوء العشوائي في وسط عالي التشتت. توضح المقدمة هيكل الورقة، مع تفاصيل الأقسام اللاحقة التي تغطي تصميم نموذج Cube، وطرق جمع البيانات، واختيار أحداث الميون، والنتائج التجريبية، مما يضع LiquidO كبديل واعد للتطبيقات التي تتطلب تتبعًا دقيقًا، مثل تصوير الميونات.
طرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون طرق جمع البيانات والتجميع المستخدمة في تجربتهم باستخدام مجموعة مضاعفات ضوئية سيليكونية (SiPM). تعمل SiPMs على الجانبين الأيسر والأيمن من Cube عند جهد انهيار يبلغ 51.30 فولت و51.90 فولت، على التوالي، مع جهود زائدة تبلغ 3.50 فولت و3.75 فولت. تم تنفيذ هذا الاختلاف الطفيف في الجهد الزائد بشكل استراتيجي لمعادلة الكسب عبر جميع 128 SiPM، مما يسهل استجابة موحدة وحد عتبة مشترك للكشف عن الإشارات من ما لا يقل عن اثنين من الإلكترونات الضوئية (p.e.). تعمل PixTags، المتصلة أيضًا بمجموعات SiPM، عند جهد انهيار يبلغ 51 فولت مع جهد زائد قدره 3 فولت ولها عتبة تحفيز أعلى تبلغ 5 p.e. لتقليل الضوضاء.
يستخدم نظام جمع PETsys مشغل تزامن عبر الإنترنت يسجل النبضات فقط عندما يتم الكشف عن إشارات فوق العتبة في كل من PixTag وواحد على الأقل من الكواشف الأخرى، مما يفلتر بفعالية الميونات الكونية ويقلل بشكل كبير من أحداث الضوضاء. ينتج عن هذا الإعداد معدل تحفيز منخفض يبلغ 0.4 هرتز، مما ينتج حوالي 4 ميغابايت من البيانات يوميًا. لكل “ضربة” تم اكتشافها، يسجل النظام الوقت، ورقم القناة، وتقدير عدد الإلكترونات الضوئية (p.e.) المولدة. تم اختيار طريقة قياس الوقت فوق العتبة (ToT) لقدرتها على التعامل مع نطاق الإشارة من 1 إلى 100 p.e. لكل نبضة، على الرغم من استجابتها غير الخطية، والتي يتم التعامل معها من خلال طريقة خطية خارجية. يتم تشكيل الأحداث بعد ذلك من خلال تجميع الضربات من جميع 256 قناة SiPM ضمن نافذة زمنية تبلغ 50 نانوثانية.
مناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة تصميم وأداء كاشف Cube المكون من 64 ألياف، مع التركيز على بنائه، ومواد الكاشف، وقدرات الكشف. يستخدم Cube، بأبعاد $30 \times 30 \times 30 \, \text{mm}^3$، هيكلًا مصنوعًا من راتنج ABS-Like المطبوعة ثلاثية الأبعاد وألواح الألمنيوم العاكسة لتعزيز جمع الضوء. يستخدم الكاشف ألياف تحويل الطول الموجي (WLS) من Saint Gobain BCF-91A، والتي تم ترتيبها بمسافة 3.2 مم ومختومة لمنع التسرب. تم اختبار نوعين من الكواشف—غير الشفاف (NoWaSH) والشفاف—حيث تم تصميم النسخة غير الشفافة لحصر الضوء بفعالية، مما أدى إلى أنماط مميزة من “أسطوانة الضوء” أثناء الكشف عن الميونات. أظهر الكاشف غير الشفاف حصرًا متفوقًا للضوء، مما أسفر عن حوالي 25% من الفوتونات المكتشفة لكل حدث ميون مقارنةً بالكاشف الشفاف.
يتناول القسم أيضًا المنهجية لاختيار الميونات خارج الخط وتهيئة إشارة الوقت فوق العتبة (ToT) لتحسين الدقة في تقدير عدد الإلكترونات الضوئية (p.e.) المولدة. يتم اشتقاق دالة تصحيح لمعالجة عدم الخطية الموجودة في قياسات ToT، مما يسمح بتقديرات أكثر دقة لـ p.e. يتم تقييم تتبع ودقة موضع أحداث الميون، مما يكشف أن دقة الموضع المتوسطة تتحسن من 730 ميكرومتر مع الكاشف الشفاف إلى 450 ميكرومتر مع النسخة غير الشفافة، مما يشير إلى تحسين كبير في دقة التتبع. بشكل عام، تؤكد النتائج على مزايا استخدام الكواشف غير الشفافة في تصميمات كواشف LiquidO لتحسين حصر الضوء ودقة الموضع في تطبيقات تتبع الميونات.
DOI: https://doi.org/10.1088/1748-0221/21/01/p01010
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): J. Apilluelo et al.
Primary Topic: Neutrino Physics Research
Overview
The research presents LiquidO, a novel radiation detector concept that utilizes stochastic light confinement in a highly scattering medium to enhance spatial resolution in particle tracking. The study details the development and characterization of a prototype consisting of a 30 mm cubic opaque scintillator, equipped with 64 wavelength-shifting fibers arranged in an 8×8 grid and read out by silicon photomultipliers. The wax-based scintillator, with a scattering length of approximately 0.5 mm, was tested using cosmic-ray muons, achieving a position resolution of 450 µm per fiber row. These findings underscore the potential of LiquidO detectors to provide fine spatial resolution for precise particle tracking and imaging.
In conclusion, the prototype, featuring the highest number of photosensors (128) in any LiquidO detector to date, demonstrated significant advancements in light confinement when compared to traditional transparent scintillators. The event-by-event analysis revealed that the opaque scintillator’s performance surpassed that of a simple segmented detector with the same pitch, achieving twice the expected resolution. This superior imaging capability positions LiquidO technology as a competitive alternative to existing scintillator-based systems, particularly for applications necessitating millimeter and sub-millimeter position reconstruction, such as muon imaging.
Introduction
The introduction of the research paper presents LiquidO as an innovative radiation detection technology that utilizes stochastic confinement of light within highly scattering opaque media. This method effectively localizes emitted light around its source, enhancing the collection of photons via a lattice of wavelength-shifting (WLS) fibers directed towards silicon photomultipliers (SiPMs). This approach allows for high-resolution imaging and precise event topology reconstruction, distinguishing LiquidO from traditional detectors that either rely on surrounding photosensors or physically segment the detection volume, which can compromise efficiency and increase complexity.
The paper highlights the successful demonstration of LiquidO’s principles through previous prototypes, such as Mini-LiquidO, which showcased stochastic light confinement with high sensitivity. The current study focuses on a 64-fibre LiquidO detector prototype, termed the Cube detector, which achieves sub-millimetre position resolution in tracking cosmic-ray muon tracks. This advancement is attributed to an unprecedented number of readout channels (128), confirming the effectiveness of stochastic light confinement in a highly scattering medium. The introduction outlines the structure of the paper, detailing subsequent sections that cover the Cube prototype design, data acquisition methods, muon event selection, and experimental results, ultimately positioning LiquidO as a promising alternative for applications requiring precise tracking, such as muon imaging.
Methods
In this section, the authors describe the data acquisition and grouping methods employed in their experiment using a Silicon Photomultiplier (SiPM) array. The SiPMs on the left and right sides of the Cube operate at breakdown voltages of 51.30 V and 51.90 V, respectively, with overvoltages of 3.50 V and 3.75 V. This slight variation in overvoltage is strategically implemented to equalize the gain across all 128 SiPMs, facilitating a uniform response and a common trigger threshold set to detect signals from at least two photoelectrons (p.e.). The PixTags, which are also connected to SiPM arrays, operate at a breakdown voltage of 51 V with a 3 V overvoltage and have a higher trigger threshold of 5 p.e. to minimize noise.
The PETsys acquisition system employs an online coincidence trigger that records pulses only when signals above the threshold are detected in both a PixTag and at least one other detector, effectively filtering for cosmic muons and significantly reducing noise events. This setup results in a low trigger rate of 0.4 Hz, yielding approximately 4 MB of data daily. For each detected “hit,” the system records the time, channel number, and an estimate of the number of p.e. generated. The Time-over-Threshold (ToT) measurement method is chosen for its capability to handle the signal range of 1 to 100 p.e. per pulse, despite its non-linear response, which is addressed through an offline linearization method. Events are subsequently formed by grouping hits from all 256 SiPM channels within a 50 ns time window.
Discussion
In this section, the design and performance of the 64-fibre Cube detector are discussed, focusing on its construction, scintillator materials, and detection capabilities. The Cube, with dimensions of $30 \times 30 \times 30 \, \text{mm}^3$, utilizes a skeleton made from 3D-printed ABS-Like Resin and reflective aluminum plates to enhance light collection. The detector employs Saint Gobain’s BCF-91A wavelength-shifting (WLS) fibres, which are arranged with a 3.2 mm pitch and sealed to prevent leaks. Two types of scintillators—opaque (NoWaSH) and transparent—are tested, with the opaque variant designed to confine light effectively, resulting in distinct “light cylinder” patterns during muon detection. The opaque scintillator demonstrated superior light confinement, yielding approximately 25% more detected photons per muon event compared to the transparent scintillator.
The section also details the methodology for offline muon selection and the linearization of the Time-over-Threshold (ToT) signal to improve accuracy in estimating the number of photoelectrons (p.e.) generated. A correction function is derived to address the nonlinearity inherent in ToT measurements, allowing for more precise p.e. estimations. The tracking and position resolution of muon events are evaluated, revealing that the average position resolution improves from 730 µm with the transparent scintillator to 450 µm with the opaque variant, indicating a significant enhancement in tracking accuracy. Overall, the findings underscore the advantages of using opaque scintillators in LiquidO detector designs for improved light confinement and position resolution in muon tracking applications.