DOI: https://doi.org/10.1016/j.nima.2026.171336
تاريخ النشر: 2026-01-29
المؤلف: N. Macsai وآخرون
الموضوع الرئيسي: تطوير كاشفات الجسيمات وأدائها
نظرة عامة
تتفاصيل البحث تحويل مطياف الكتلة مانيتوبا II إلى منشأة شعاع بروتون منخفض الطاقة، مصممة خصيصًا لتوصيف الكواشف تحت الاختبار (DUT)، مع التركيز على الكواشف السيليكونية المستخدمة في تجارب ما بعد النموذج القياسي (BSM)، مثل تجربة ناب. تولد المنشأة شعاع قلم من البروتونات أحادية الطاقة ضمن نطاق طاقة من 25 keV إلى 35 keV، محققة تيار شعاعي يبلغ حوالي \(1 \times 10^{-18} \, \text{A}\). يسمح تنفيذ الألواح التوجيهية الكهروستاتيكية بتوجيه دقيق لشعاع البروتون ذو الملف الغاوسي على منطقة اهتمام بقطر 117 مم، مع قياسات العرض الكامل عند نصف الحد الأقصى (FWHM) تتراوح من 0.6 مم إلى 1.26 مم.
في الختام، شملت التعديلات على مطياف مانيتوبا II مصدر أيون فخ بقدرة تسريع 30 keV وموجه كهروستاتيكي، مما يسهل توصيف 127 كاشف سيليكون بيكسل ناب. يعزل المطياف بشكل فعال البروتونات بقدرة 30 keV بدقة طاقة تبلغ 300 eV FWHM. أثناء الاختبار، عملت المنشأة بمعدل 10 بروتونات/ثانية لتقليل الضوضاء الكهربائية في جمع البيانات. أظهرت تقييمات حجم بقعة البروتون، التي أجريت باستخدام شاشة فسفورية كبيرة القطر، حجم بقعة نموذجي يبلغ 1 مم²، مع حد أقصى يبلغ 5 مم²، وقياس محدد على كاشف السيليكون ناب أسفر عن قطر حجم بقعة يبلغ 3.1 مم². لقد ساهمت هذه المنشأة بشكل كبير في المعايرة والتحليل للكواشف السيليكونية ذات المساحة الكبيرة لتجربة ناب، مما يلبي المتطلبات اللازمة لكل جزء على حدة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية تجارب النيوترونات والنيوترينوات منخفضة الطاقة وعالية الدقة في استكشاف فيزياء ما بعد النموذج القياسي (BSM). تؤكد على استخدام تقنيات الكاشف المعتمدة على السيليكون في تجارب مختلفة، بما في ذلك ناب وpNAB وكاترين، بسبب خصائصها المميزة مثل دقة الطاقة العالية، والتوقيت السريع، وعدم الحساسية للحقول المغناطيسية. تم تعديل مطياف الكتلة عالي الدقة بجامعة مانيتوبا، المعروف باسم “مانيتوبا II”، ليعمل كمصدر بروتون لاختبار الكواشف، تحديدًا لتجربة ناب، التي تتضمن قياس المعلمات المرموز لها بـ \(a\) و \(b\).
تتميز كواشف ناب بمنطقة نشطة بقطر 117 مم مقسمة إلى 127 بكسل سداسي، كل منها بارتفاع حوالي 10 مم. يجب أن يمر شعاع البروتون عبر وجه الكاشف مع الحفاظ على حجم بقعة صغير أقل من 6.5 مم² لتسهيل الدراسات على بكسل واحد دون مشاركة شحنة كبيرة. يقدم البحث تقريرًا عن أداء وتحليل كواشف السيليكون ناب باستخدام هذه المنشأة، مع التركيز على تطوير وأداء مصدر البروتون. ستفصل الأقسام التالية مراحل مصدر البروتون والدراسات التي أجريت لتقييم معلمات الشعاع تحت ظروف التشغيل النموذجية.
نقاش
تم تعديل مطياف الكتلة مانيتوبا II، الذي تم تصميمه في الأصل لقياسات الكتلة الدقيقة للأيونات الموجبة الشحنة، بنجاح لاستخدام مصدر بروتون منخفض الطاقة قابل للتوجيه لتوصيف الكواشف. تشمل التعديلات الرئيسية استبدال مصدر الأيون القديم بمولد أيون بنينغ (PIG) الذي ينتج البروتونات من خليط غاز الهيدروجين والأرجون، وتركيب مضخات جزيئية توربينية لتقليل مخاطر التلوث. يتم تحليل شعاع البروتون، الذي يتميز بقدرة تسريع 30 keV، باستخدام محلل كهروستاتيكي (ESA) ومحلل مغناطيسي ثابت (MSA)، مما يضمن شعاعًا أحادي الطاقة يسهل قياسات دقيقة لدقة الطاقة.
تظهر الدراسات التي أجريت أن شعاع البروتون يمكن ضبطه بدقة، محققًا دقة طاقة تبلغ حوالي 300 eV FWHM، وهو ما يقل بشكل كبير عن دقة الطاقة لكواشف السيليكون ناب. بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم حجم بقعة الشعاع باستخدام كل من شاشة فسفورية وكاشف ثنائي السيليكون مقسم، مما أسفر عن نتائج متسقة مع أحجام بقع عمومًا حول 1 مم²، وحد أقصى يبلغ 5 مم². تؤكد هذه النتائج أن حجم بقعة الشعاع مقيد بشكل كافٍ ضمن أبعاد بكسل كواشف ناب، مما يلبي المتطلبات للمعايرة لكل جزء على حدة في تجربة ناب الجارية.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.nima.2026.171336
Publication Date: 2026-01-29
Author(s): N. Macsai et al.
Primary Topic: Particle Detector Development and Performance
Overview
The research details the transformation of the Manitoba II mass spectrometer into a low-energy proton beam facility, specifically designed for the characterization of detectors under test (DUT), with a focus on silicon detectors utilized in beyond-the-Standard-Model (BSM) experiments, such as the Nab experiment. The facility generates a pencil beam of monoenergetic protons within an energy range of 25 keV to 35 keV, achieving a beam current of approximately \(1 \times 10^{-18} \, \text{A}\). The implementation of electrostatic steering plates allows for precise direction of the Gaussian-profile proton beam over a 117 mm diameter area of interest, with full-width at half-maxima (FWHM) measurements ranging from 0.6 mm to 1.26 mm.
In conclusion, the modifications to the Manitoba II spectrometer included a 30 keV accelerating potential penning trap ion source and an electrostatic steerer, facilitating the characterization of 127 pixel Nab silicon detectors. The spectrometer effectively isolates 30 keV protons with an energy resolution of 300 eV FWHM. During testing, the facility operated at a rate of 10 protons/s to minimize electrical noise in data acquisition. The evaluation of the proton spot size, conducted using a large diameter phosphor screen, indicated a typical spot size of 1 mm², with a maximum of 5 mm², and a specific measurement on the Nab silicon detector yielded a spot size diameter of 3.1 mm². This facility has significantly contributed to the calibration and analysis of large-area silicon detectors for the Nab experiment, fulfilling the necessary segment-by-segment requirements.
Introduction
The introduction highlights the significance of low energy, high precision neutron and neutrino experiments in exploring Beyond the Standard Model (BSM) physics. It emphasizes the use of silicon-based detector technologies in various experiments, including Nab, pNAB, and Katrin, due to their advantageous properties such as high energy resolution, rapid timing, and insensitivity to magnetic fields. The University of Manitoba’s high-precision mass spectrometer, referred to as “Manitoba II,” has been adapted to serve as a proton source for testing detectors, specifically for the Nab experiment, which involves measuring parameters denoted as \(a\) and \(b\).
The Nab detectors feature a 117 mm diameter active area segmented into 127 hexagonal pixels, each approximately 10 mm in height. The proton beam must traverse the detector’s face while maintaining a small spot size of less than 6.5 mm² to facilitate single pixel studies without significant charge sharing. The paper reports on the performance and analysis of the Nab silicon detectors using this facility, with a focus on the development and performance of the proton source. Subsequent sections will detail the stages of the proton source and the studies conducted to evaluate beam parameters under typical operational conditions.
Discussion
The Manitoba II mass spectrometer, originally designed for precise mass measurements of positively charged ions, has been successfully adapted to utilize a steerable low-energy proton source for detector characterization. Key modifications include the replacement of the old ion source with a Penning ion generator (PIG) that produces protons from a hydrogen-argon gas mixture, and the installation of turbo-molecular pumps to mitigate contamination risks. The proton beam, characterized by a 30 keV acceleration potential, is analyzed using an electrostatic analyzer (ESA) and a magneto-static analyzer (MSA), ensuring a mono-energetic beam that facilitates precise energy resolution measurements.
The studies conducted demonstrate that the proton beam can be finely tuned, achieving an energy resolution of approximately 300 eV FWHM, which is significantly lower than the energy resolution of the Nab silicon detectors. Additionally, the beam spot size was evaluated using both a phosphor screen and a segmented silicon diode detector, yielding consistent results with spot sizes generally around 1 mm², and a maximum of 5 mm². These findings confirm that the beam spot size is adequately constrained within the pixel dimensions of the Nab detectors, thereby fulfilling the requirements for segment-by-segment calibration in the ongoing Nab experiment.