基于光学读出技术的液态氩时间投影室在粒子物理探测中的创新应用与性能验证

《Frontiers in Detector Science and Technology》：Design and performance of the ARIADNE+ detector, bringing novel 3D optical dual-phase LArTPCs to the large scale

本文系统介绍了ARIADNE+项目在CERN中微子平台开展的突破性研究，该研究成功构建了全球首个2米×2米级玻璃-THGEM（厚型气体电子倍增器）光学读出系统，实现了液态氩时间投影室（LAr-TPC）的三维粒子轨迹可视化。通过可见光与真空紫外光（VUV）双模式成像技术，首次在大型探测器中获得毫米级空间分辨率（1.6纳秒时间分辨率）的宇宙线μ子轨迹数据。这项技术为深地下中微子实验（DUNE）等大型粒子物理探测器提供了可扩展的高精度读出方案，显著降低了通道数与成本。

　　

实验装置与技术创新

ARIADNE⁺实验在CERN中子平台NP04区域开展，利用ProtoDUNE-DP实验的低温基础设施。核心探测器为双相液态氩时间投影室（LAr-THPc），其"冷箱"容器直径3米，高度6米，有效漂移区域达2米×2米×0.8米。探测器采用独特的四象限设计，每个象限配备独立的玻璃-THGEM（厚型气体电子倍增器）模块，形成总计4平方米的活性区域。

光学读出系统包含四个穿透式光学窗口，其中三个配置可见光增强器配合Timepix3相机，一个采用镁氟化物（MgF₂）透镜的真空紫外（VUV）专用成像系统。可见光成像系统的单像素对应物理尺寸为4毫米，VUV系统为3.125毫米，实现了业界领先的空间分辨率。

光读出平面（LRP）核心突破

光读出平面作为信号转换的关键部件，采用因瓦合金（Invar）支撑框架结构，该材料具有1.2×10^-6 m/°C的超低热膨胀系数，与硼硅玻璃（3.25×10^-6 m/°C）高度匹配，确保在-185°C低温环境下维持结构稳定性。提取栅极采用化学蚀刻不锈钢模块化设计，工作电压稳定在-6kV，栅极与THGEM间距优化至15毫米，有效降低液面扰动影响。

16个硼硅玻璃THGEM通过磨削工艺制备双锥形微孔结构，相比传统FR4基THGEM具有更高的电子倍增效率。波长转换层创新性采用75微米Q51级聚乙烯萘酯（PEN）薄膜，替代传统的四苯基丁二烯（TPB），在保证光输出效率的同时显著提高了工程可行性。

实验运行与数据分析

探测器通过精密液氩液位控制系统维持运行，电子寿命维持在0.5毫秒水平。通过30秒采集数据的热图分析，可见光成像系统视野覆盖1.1米×1.1米区域，清晰显示因瓦框架结构；VUV系统视野为0.8米×0.8米，虽存在边缘渐晕现象但仍成功获取粒子轨迹。

通过对贯穿型宇宙线μ子事件的Landau-Gaussian拟合分析，获得最概然值（MPV）为206.26±0.05 ADU/cm，对应能量校准系数为100.15 ADU/MeV。基于拟合参数计算的能量分辨率达到11.5%，证实了光学读出系统的定量分析能力。

技术前景与应用价值

研究首次在大型探测器实现VUV光直接成像，虽然当前存在光学渐晕问题，但通过反射式光学设计优化可进一步提升性能。该技术为DUNE二期工程提供了新型读出方案选择，预计320个Timepix4相机即可覆盖60米×12米的远探测器区域，实现3毫米/像素的分辨率要求。光学读出技术通过大幅减少读出通道数量，为超大型粒子探测器提供了更具成本效益的解决方案，同时保持卓越的空间与时间分辨率性能。