latex
تَقَدَّمَ هٰذِهِ الوَرَقَةَ دِراسَةٌ مُحاكاةَ لَمُواصَفات تَوْقِيتُ مُحَوِّلِ الفوتون إِلَى رَقَمِيٍّ لَاِسْتِخْدامه فِي تَجْرِبَةِ البَحْثِ عَن الضَوْء الشيرينكوف فِي الزينون السائِل. تُظْهِر النَتائِجِ أَنَّ تَحْسِينِ دِقَّةٍ التَوْقِيتِ يُمْكِن أَنَّ يُساهِم بِشَكْلٍ كَبِيرٍ فِي تَحْسِينِ القُدْرَةِ عَلَى التَمْيِيزِ بَيِّنَ الإِشاراتِ وَالخَلْفِيَّة، مِمّا يُعَزِّز مِن فَعّالِيَّةِ التَجارِبِ الفِيزيائِيَّة النَوَوِيَّةِ.
تُعْتَبَر تَقْنِيّاتِ الكَشْفِ عَن الجَسِيمات بِاِسْتِخْدامِ الضَوْء الشيرينكوف فِي الزينون السائِل (LoLX) مِن التَقْنِيّاتِ الواعِدَةِ فِي مَجالِ الفِيزياء النَوَوِيَّةِ. تُوَفِّر هٰذِهِ التَقْنِيَّةِ إِمْكانِيّات كَبِيرَةٍ لِلكَشْفِ عَن النيوترينوات وَغَيْرِها مِن الجَسِيمات الأَساسِيَّةِ (Galli et al.).
تَعْتَمِد الدِراسَةُ عَلَى مُحاكاةَ الخَصائِص الزَمَنِيَّةِ لَمُحَوِّل الفوتون إِلَى رَقَمِيٍّ، حَيْثُ يَتِمّ تَحْلِيلِ تَأْثِيرِ دِقَّةٍ التَوْقِيتِ عَلَى قُدْرَةِ الكَشْفِ. تَمَّ اِسْتِخْدامِ نَماذِجَ مُحاكاةَ مُفَصَّلَةٌ لَتَقْيِيم أَداءِ النِظامِ فِي ظُرُوفٍ مُخْتَلِفَةٍ.
أَظْهَرَت النَتائِجِ أَنَّ تَحْسِينِ دِقَّةٍ التَوْقِيتِ يُمْكِن أَنَّ يُقَلِّل بِشَكْلٍ كَبِيرٍ مِن الأَخْطاءِ فِي تَحْدِيدِ مَواقِعِ الأَحْداثِ، مِمّا يُساهِم فِي تَحْسِينِ الدِقَّةِ الكُلِّيَّةِ لِلتَجْرِبَة. تَمَّت مُناقَشَةِ الآثارِ المُحْتَمَلَةِ لِهٰذِهِ التَحْسِيناتِ عَلَى تَصْمِيمِ التَجارِبِ المُسْتَقْبَلِيَّةِ.
تُشِير الدِراسَةُ إِلَى أَنَّ تَحْسِيناتٍ فِي تَقْنِيّاتِ التَوْقِيتِ قَد تُؤَدِّي إِلَى تَقَدَّمَ كَبِيرٍ فِي قُدْراتٍ الكَشْفِ فِي تَجارِبِ الفِيزياء النَوَوِيَّةِ، مِمّا يَفْتَح آفاقاً جَدِيدَةٍ لِلبَحْثِ فِي هٰذا المَجالِ الحَيَوِيُّ.
تَجْرِبَةِ الزينون السائِل الخَفِيفِ (LoLX) هِيَ كاشِف نَمُوذَجِيٍّ يَهْدِف إِلَى دِراسَةٌ خَصائِصِ ضَوْء الزينون السائِل (LXe) وَتَقْنِيّات الكَشْفِ عَن الضَوْء المُخْتَلِفَةِ. تَهْدِف LoLX أَيْضاً إِلَى تَحْدِيدِ دِقَّةٍ تَوْقِيتُ الزينون السائِل كَمادَّةِ مُشِعَّةٍ مُحْتَمَلَةٍ لِلتَصْوِير المَقْطَعِيّ بِالإِصْدار البوزيتروني (PET) بِدِقَّةٍ تَوْقِيتُ 10 ps. هَدَفَ آخَرِ رَئِيسِيٍّ لِ LoLX هُوَ أَداءِ فَصْلِ زَمَنِيٍّ للفوتونات الشيرينكوفيه والفوتونات الفِلُورِيَّة لِطُرُقِ جَدِيدَةٍ لِرَفْضِ الخَلْفِيَّةِ فِي تَجارِبِ الزينون السائِل. لِتَحْقِيقِ هٰذا الفَصْلِ، مِن المُقَرِّرِ تَجْهِيزِ LoLX بِمُحَوِّلات الفوتون إِلَى رَقْمَيْهِ (PDCs)، وَهُوَ نَوْعٍ مِن أَجْهِزَةِ الاِسْتِشْعارِ الضَوْئِيَّةِ الَّتِي تُوَفِّر طابِعا زَمَنِيّا لِكُلِّ فوتون مَرْصُود. لِتَوْجِيهِ تَصْمِيمِ PDC، نَسْتَكْشِف المُتَطَلَّباتِ لِلفَصْلِ الزَمَنِيِّ للشيرينكوف. نَسْتَخْدِم محاكي PDC، الَّذِي يَعْتَمِد عَلَى مَعْلُوماتٍ الضَوْء مِن نَمُوذَجَ مُحاكاةَ LoLX المَبْنِيَّ عَلَى Geant4، وَنُقِيم جُودَة الفَصْلِ مُقابِلَ مَعايِيرِ مُحَوِّلِ الزَمَنِ إِلَى رَقَمِيٍّ (TDC).
تَقَدَّمَ نَتائِجِ المُحاكاة مَعَ مَعايِيرِ TDC تَكْوِينات مُمْكِنَةٍ تَدْعَم فَصْلاً جَيِّداً. مُقارَنَةً بِالنَهْج الحالِيَّ المُعْتَمَدُ عَلَى الفلتره، تُظْهِر المُحاكاة أَنَّ مُسْتَوَى فَصْلِ الشيرينكوف يَزِيد مِن 54% إِلَى 71% عِنْدَ اِسْتِخْدامِ PDC وَالفَصْل الزَمَنِيِّ. بِناءَ عَلَى مِلَفِّ زَمَنِيٍّ فَوَّتُونِي حالِيّ لَمُحاكاة LoLX، تُظْهِر النَتائِجِ أَيْضاً أَنَّ فَصْلِ 71% قابِلٌ لِلتَحْقِيقِ بِمُجَرَّدِ اِسْتِخْدامِ 4 TDCs لِكُلِّ PDC. سَتُؤَدِّي نَتائِجِ المُحاكاة هٰذِهِ إِلَى دَلِيلٌ مُواصَفاتِ لِ PDC بِالإِضافَةِ إِلَى النَتائِجِ المُتَوَقَّعَةِ لِلمُقارَنَة مَعَ قِياسات التَجْرِبَةِ المُسْتَقْبَلِيَّةِ المُسْتَنِدَةَ إِلَى PDC. عَلَى المَدَى الطَوِيلِ، سَتُساعِد النَتائِجِ الشامِلَةِ لِ LoLX التَجارِبِ الكَبِيرَةِ المُسْتَنِدَةَ إِلَى الزينون السائِل وَتَحْفِز تَجْمِيعِ نِظامِ مَظاهِرِ لِلتَصْوِير المَقْطَعِيّ بِالإِصْدار البوزيتروني بِالزَمَنِ الطَيَرانِ (TOF-PET) المُسْتَنَدَ إِلَى الزينون السائِل.
الزينون السائِل، إِشْعاع شيرينكوف، مُحَوِّلِ الفوتون إِلَى رَقَمِيٍّ، مُضاعَف الضَوْء السيليكوني، مُحَوِّلِ الزَمَنِ إِلَى رَقَمِيٍّ
هِيَ مُكَوِّناتِ أَساسِيَّةٍ لِلعَدِيد مِن أَجْهِزَةِ كَشَفَ فِيزياء الجَسِيمات. تَعْتَمِد اِخْتِيارات السنتيلاتور عَلَى خَصائِصِ المادَّةُ وَالبَياناتِ التَجْرِيبِيَّة المَطْلُوبَةِ، وَعادَةً ما تَكُون الوَضْعِيَّةِ، الطاقَةِ المُودَعَة وَزَمَن الحُدُوثِ. الزينون السائِل (LXe) هُوَ سنتيلاتور يُقَدِّم أَداءِ جَذّابا فِي هٰذِهِ الثَلاثِ مَعايِيرِ بِفَضْلِ قُدْرَتِهِ الجَيِّدَةِ عَلَى إِنْتاجِ الضَوْء، التَوْقِيتِ السَرِيعِ، وَمَسارات قِراءَةٍ الضَوْء/الشَحْنَةِ المُزْدَوِجَةِ. عَلَى الرَغْمِ مِن أَنَّهُ يَحْتاج إِلَى التَبْرِيدِ إِلَى -110 ، وَبِالتالِي يَتَطَلَّب اِسْتِخْدامِ جِهازِ تَبْرِيدٍ لِلعَمَلِ، إِلّا أَنَّهُ يُمْكِن تَشْكِيلِهِ إِلَى حَجْمِ كَبِيرٍ مُتَواصِلٌ، وَهُوَ مِيزَةً جَذّابه لِتَجارِبِ النيوترينو مِثْلَ تَجْرِبَةِ nEXO (adhikari2021nexo)، الَّتِي تَتَطَلَّب دِقَّةٍ طاقَةِ بِنِسْبَةِ 1% عِنْدَ قِيمَةَ Q 2.5 MeV لِ Xe-136 فِي بَحْثها عَن تَحْلِل بَيْتا المُزْدَوِجِ خالِي مِن النيوترينو (\(0\nu\beta\beta\)). تَدْعَم تَجْرِبَةِ الزينون السائِل فَقَط لِلضَوْء (LoLX) (galli2023looking) تَجْرِبَةِ nEXO فِي اِخْتِبارِ تَقْنِيّاتِ مستشعر الضَوْء المُرَشَّحَةُ وَدِراسَةِ خَصائِصِ ضَوْء LXe لِتَحْقِيقِ هٰذا الهَدَفَ. ثُمَّ فِي مَرْحَلَةِ مُسْتَقْبَلِيَّةٍ مِن التَجْرِبَةِ، سَتَهْدِف LoLX إِلَى تَحْقِيقِ الفَصْلِ بَيِّنَ تشيرينكوف والسنتيلاتور بِناءَ عَلَى الزَمَنِ لِاِسْتِكْشافِ طُرُقٍ جَدِيدَةٍ لِرَفْضِ الخَلْفِيَّةِ فِي تَجارِبِ \(0\nu\beta\beta\) المُعْتَمَدَةِ عَلَى LXe (BRODSKY201976). عِلاوَةً عَلَى ذٰلِكَ، يُمْكِن لفوتونات تشيرينكوف فِي LXe أَنَّ تَزِيد مِن إِحْصائِيّات الفوتونات الفَوْرِيَّةِ لِتَطْبِيقاتِ التَوْقِيتِ السَرِيعِ مِثْلَ التَصْوِيرِ بِالإِصْدار البوزيتروني (PET) لَقِياس الزَمَنِ (Gundacker_2016). لِهٰذا التَطْبِيقِ، هَدَفَ LoLX هُوَ التَأَكُّدَ مِن إِمْكانِيَّةَ الحُصُولِ عَلَى دِقَّةٍ زَمَنِيَّةٍ تَبْلُغ 10 ps فِي LXe لِتَمْهِيدِ الطَرِيقِ لَأَجْهِزَة ماسِحات PET ذاتِ أَداءِ رائِد (Lecoq_2020).
لِتَحْقِيقِ هٰذِهِ الأَهْدافِ، مِن المُتَوَقَّعِ اِسْتِبْدالِ مُكَوِّناتِ السيليكون لِلتَصْوِير الضَوْئِيّ (SiPMs) المُثَبِّتَة حالِيّاً فِي LoLX بِمُحَوِّلات الفوتون إِلَى رَقْمَيْهِ (PDCs)، المَعْرُوفَةِ أَيْضاً بِاِسْمِ مَصْفُوفات الديود الضَوْئِيّ الاِنْفِجارِيّ الفَرْدِيِّ الرَقَمِيَّةِ أَو SiPMs الرَقَمِيَّةِ (Pratte_PDC_2021). تَتَمَيَّز PDCs بِقُدْرَتها عَلَى تَوْفِيرِ تَوْقِيتُ دُونِ 100 ps لِكُلِّ فوتون مُراقِبٍ وَمُعالَجَةِ قُيُودٍ التَوْقِيتِ الجَوْهَرِيَّة لِ SiPMs ذاتِ المِساحَةَ الكَبِيرَةِ (Nolet_2016).
فِي هٰذِهِ الدِراسَةُ، اُسْتُخْدِمْنا مَعْلُوماتٍ إِخْراجِ الضَوْء مِن نَمُوذَجَ مُحاكاةَ LoLX وَأَعَدْنا تَوْجِيهُها إِلَى محاكي PDC، محاكي مَصْفُوفه الديود الضَوْئِيّ الاِنْفِجارِيّ الرَقَمِيَّ (DSAS) (ACTherrien_DSAS_2014). ثُمَّ اِسْتَكْشَفَنا فَضاءِ المُعَلِّماتُ التصميميه، مُحَدَّدِينَ مُواصَفاتِ PDC الَّتِي تَمَكَّنَ الفَصْلِ بَيِّنَ تشيرينكوف والسنتيلاتور بِناءَ عَلَى الحَدَثِ. سَتُوَفِّر هٰذِهِ الدِراسَةُ هَوامِش المُواصَفاتِ لِلتَطْوِيرِ المُسْتَمِرِّ لِ PDCs فِي LoLX.
يَسْتَخْدِم تَصْمِيمِ LoLX Gen1 هَيْكَلا أُسْطُوانِيّا ثَمانِي الأَضْلاع مَطْبُوعا ثُلاثِيّ الأَبْعاد، يُحِيط بِحَجْمِ تَقْرِيبِي قَدَّرَهُ 30 . يَتِمّ تَجْهِيزِ هٰذا الهَيْكَل ب 24 وَحْدَةِ مِن وَحَداتٍ Hamamatsu VUV4 Quad (VUV4_MPPCs_2019)، كُلِّ وَحْدَةِ تَحْتَوِي عَلَى 4 SiPMs، أَيّ مَجْمُوعُ 96 SiPM. لِفَصْلِ تشيرينكوف والفلورسنس، يُطْبَق LoLX فَلِأَتِر بَصَرِيّه عَلَى سَطْحِ وَحَداتٍ SiPM: 22 وَحْدَةِ مَعَ فَلِأَتِر طَوِيلَةٍ المَدَى (تَسْمَح بِالطُول الموجي أَكْبَرَ مِن 225 nm، بِشَكْلٍ رَئِيسِيٍّ تشيرينكوف)، وَوَحْدَةِ واحِدَةٍ مَعَ فَلِتَرَ VUV (تَسْمَح بِالطُول الموجي 150–180 nm، بِشَكْلٍ رَئِيسِيٍّ الفلورسنس)، وَوَحْدَةِ واحِدَةٍ بِدُونِ فَلِتَرَ (عارِيَةً). يَتِمّ إِدْخالُ مَصْدَرٌ Sr-90 داخِلَ الحَجْمِ المُجَهَّز بِاِسْتِخْدامِ أَبْره تَخْتَرِق الهَيْكَل.
تَمَّ تَطْوِيرِ نَمُوذَجَ المُحاكاة LoLX بِاِسْتِخْدامِ Geant4 (Geant4_2016). تَمَّ ضَبْطِ عائِدٌ الفلورسنس لِ LXe عَلَى 46,300 photons/MeV بَيْنَما تَمَّ الحُصُولِ عَلَى مَعامِلِ الاِنْكِسار المُعْتَمَدُ عَلَى الطُولَ الموجي لِ LXe، العامِلِ الرَئِيسِيُّ لَعائِد تشيرينكوف، مِن الأَدَبِيّاتِ (LXe_RI).
فِي هٰذِهِ الدِراسَةُ، قُمْنا بِتَسْجِيلِ مَعْلُوماتٍ الفوتونات الَّتِي قَدَّمَها نَمُوذَجَ Geant4 لَدَينا عَلَى سُطُوحِ أَجْهِزَةِ اِسْتِشْعار الضَوْء وَمَرَرْناها إِلَى محاكي الكاشِف الضَوْئِيّ، DSAS. هٰذا سَمَحَ لَنا بِمُقارَنَة أَداءِ تَكْوِينات الكاشِف الضَوْئِيّ المُخْتَلِفَةِ بِاِسْتِخْدامِ نَفْسِ خَطِّ الأَساسِ لَمُحاكاة الفوتونات. كانَت مُواصَفاتِ هَنْدَسَةُ الكاشِف الضَوْئِيّ الأَوَّلِيَّةِ فِي DSAS مَبْنِيَّةٌ عَلَى SiPMs مِن LoLX: مِنْطَقَةِ نَشِطَةً ، وَمَسافَة بَيِّنَ النِقاطِ 50 .
قِبَلَ المُضِيَّ قَدَماً فِي دِراسَةٌ تَوْقِيتُ الكاشِف الضَوْئِيّ، قُمْنا بِالتَحَقُّق مِن صِحَّةِ DSAS مُقابِلَ نَمُوذَجَ SiPM الأَصْلِيُّ فِي Geant4. قارَنّا عَدَدٍ الضَرَباتِ الَّتِي أَنْشَآها DSAS وَنَمُوذَجٌ SiPM بِاِسْتِخْدامِ نَفْسِ مَعْلُوماتٍ الفوتونات المدخله الَّتِي قَدَّمَتْها مُحاكاةَ LoLX. اِخْتَلَفَت مُتَطَلَّباتِ المُعَلِّماتُ لِلنَبَضات اللاحِقَةِ (AP)، وَالعَدّ الظَلامِيِّ (DC)، وَالتَداخُلِ البَصْرِيّ (XT)، وَكَفاءَة الكَشْفِ الضَوْئِيّ (PDE) بَيِّنَ DSAS وَنَمُوذَجٌ SiPM. قُمْنا بِتَعْدِيلِ هٰذِهِ المُعَلِّماتُ المدخله فِي DSAS لَمُواءَمَة أَعْدادِ الضَرَباتِ مَعَ تِلْكَ الَّتِي أَنْشَآها نَمُوذَجَ SiPM.
تُرَكِّز هٰذِهِ الدِراسَةُ عَلَى كَيْفِيَّةِ تَأْثِيرِ تَقَلُّباتِ مُحَوِّلِ الوَقْتِ إِلَى رَقَمِيٍّ (TDC)، وَأَقِلّ بَتَّ مَعْنَوِيٍّ (LSB)، وَنِسْبَةُ المُشارَكَةِ بَيِّنَ SPAD وTDC عَلَى جُودَة الفَصْلِ. قُمْنا بِفَحْصِ مَجْمُوعاتٍ مُخْتَلِفَةٍ مِن الكَمِّيّاتِ الثَلاثِ، وَلِكُلِّ إِعْدادِ، طَبَّقَنا قَطْعاً زَمَنِيّا لَتَعْظِيم عَدَدٍ الفوتونات الشيرينكوفيه (\(n_\text{Ceren}\)) المُحَصِّلَةُ مَعَ تَقْلِيلِ عَدَدٍ الفوتونات السنتيليه (\(n_\text{Scint}\)) المُتَبَقِّيَةُ فِي القِطَعِ. تَمَّ تَقْيِيمِ جُودَة الفَصْلِ أَوَّلاً بِتَغْيِيرِ كُلِّ مِن تَقَلُّباتِ TDC وَ LSB بَيِّنَ 1 وَ 50 ps. تَمَّ ضَبْطِ نِسْبَةَ SPAD:TDC الأَوَّلِيَّةِ عَلَى 1:1، وَتَمَّ تَغْيِيرَها لاحِقاً بُعْدَ إِيجادِ القِيَمِ المِثالِيَّةِ لِلتَقَلُّبات وَ LSB. تَمَّ ضَبْطِ مَوْضِعَ مَصْدَرٌ Sr-90 (\(\beta\)) فِي مَرْكَزِ حالَةِ LXe فِي هٰذِهِ الدِراسَةُ الزَمَنِيَّةِ لِ PDC.
لَغَرَض الفَصْلِ الزَمَنِيِّ، تَمَّ أَخَذَ مَعْلُوماتٍ الفوتون مِن إِعْدادِ تَعْدِيلِ نَمُوذَجَ مُحاكاةَ LoLX Gen1، حَيْثُ لَم يَتِمّ تَطْبِيقِ أَيّ فَلِتَرَ. فِي نافِذَةٍ الوَقْتِ المُبَكِّرَةُ، النانوثواني الأُولَى، تَكُون كَثافَةُ الفوتونات أَعْلَى بِكَثِيرٍ مِن DC وَ AP. وَبِالتالِي، تَمَّ ضَبْطِ قِيَمِ DC، AP، وَكَذٰلِكَ XT فِي DSAS عَلَى 0. تَمَّ بِبَساطَة ضَبْطِ PDE عَلَى 100% مِثالِيٌّ.
لِلمُقارَنَة، فِي النَهْجِ المَبْنِيَّ عَلَى الفلتر، تَمَّ تَعْدِيلِ إِعْدادِ فَلِتَرَ نَمُوذَجَ مُحاكاةَ LoLX أَيْضاً، حَيْثُ تَمَّ تَطْبِيقِ فَلِأَتِر طَوِيلَةٍ المُرُورِ عَلَى جَمِيعِ 96 SiPMs. لِضَمانِ قِيَمِ DC، AP، XT، وَ PDE مُكافِئه كَما فِي DSAS، يُعْتَبَر عَدَدٍ الضَرَباتِ المُنْشَأَةِ كَعَدَد الفوتونات الَّتِي تَمُرّ عَبْرَ الفلاتر وَتَصِل إِلَى سُطُوحِ SiPM.
فِي النَهْجِ المحاكي المَبْنِيَّ عَلَى الفلتر، فِي المُتَوَسِّطِ، 54% مِن إِجْمالِيِّ الفوتونات الشيرينكوفيه تَمُرّ عَبْرَ الفلاتر الطَوِيلَةِ المُرُورِ وَتَصِل إِلَى سُطُوحِ SiPM. نِسْبَةَ \(n_\text{Scint}\) الَّتِي تَتَسَرَّب عَبْرَ هٰذِهِ الفلاتر إِلَى \(n_\text{Ceren}\) الَّتِي تَمُرّ هِيَ تَقْرِيباً 0.09.
وَبِالتالِي، تَمَّ ضَبْطِ شُرُوطٍ القِطَعِ الزَمَنِيِّ كَما يَلِي: \[f_\text{Ceren} \ge \textnormal{55\%} \quad \text{\&} \quad r_\text{SC} < \textnormal{0.02} \tag{$*$} \label{eq_cond}\] حَيْثُ: \[\begin{aligned} f_\text{Ceren} = \frac{n_\text{Ceren} \text{ فِي SR}}{\text{إِجْمالِيِّ } n_\text{Ceren}} \quad \text{\&} \quad r_\text{SC} = \frac{n_\text{Scint} \text{ المُتَبَقِّيَةُ فِي SR}}{n_\text{Ceren} \text{ فِي SR}}\end{aligned}\] مَعَ SR هِيَ مِنْطَقَةِ الإِشارَةُ كَما هُوَ مُوَضِّح فِي الشَكْلِ. [fig_Cerenkov_Scint]. بَيْنَما \(n_\text{Ceren}\) فِي هٰذا الشَكْلِ أَقَلَّ بِكَثِيرٍ مِن \(n_\text{Scint}\)، مِن المُمْكِنِ فَصْلِ الفوتونات الشيرينكوفيه بِسَبَبِ وُصُولُها الفَوْرِيِّ.
يُظْهِر الشَكْلِ [fig-separation-TDC-specs] فَصْلِ تشيرينكوف (كَما فِي \(f_\text{Ceren}\)) لِ 96 مستشعر ضَوْئَيَّ مُقابِلَ مُواصَفاتِ TDC المُخْتَلِفَةِ بِاِسْتِخْدامِ مَوْضِعَ القِطَعِ الأَمْثَلُ لِكُلِّ مستشعر. بِالنِسْبَةِ لِلتَقَلُّبات \(\ge\) 20 ps وَ LSB = 50 ps، فَإِنَّ الحَدِّ الأَدْنَى لِ \(f_\text{Ceren}\) هُوَ 0، مِمّا يَعْنِي أَنَّهُ لا يُوجَد مَوْضِعَ قَطْعِ يَسْمَح بِفَصْلِ فَعّالٌ فِي بِعَضِّ المستشعرات. بِالنِسْبَةِ لِ LSB \(\le\) 20 ps، النَتائِجِ مُتَطابِقَةٌ تَقْرِيباً، مُتَوَسِّطات 71–75%، القِيَمِ الدُنْيا 60–63%، وَالقِيَمِ العُظْمَى 81–82%، لِ 96 مستشعر.
تُشِير هٰذِهِ النَتائِجِ إِلَى أَداءِ جَيِّدٍ لِلفَصْلِ القائِمِ عَلَى الزَمَنِ. بِالنِسْبَةِ لِمُعْظَمِ المستشعرات، فَإِنَّ الحَدِّ الأَدْنَى لِ \(f_\text{Ceren}\) لِلفَصْلِ القائِمِ عَلَى الزَمَنِ لا يَزال أَفْضَلَ مِن المُتَوَسِّطِ 54% لفوتونات تشيرينكوف الَّتِي تَصِل إِلَى المستشعرات فِي النَهْجِ القائِمِ عَلَى الفلتر. تُشِير النَتائِجِ أَيْضاً إِلَى حَدٍّ أَعْلَى عِنْدَ الذَهابِ لَتَقَلُّبات وَ LSB أَصْغَرِ، مِمّا يُوحِي بِتَشابُه مَعَ بَياناتٍ الفوتونات الخامِ مِن مُحاكاةَ LoLX. فِيما يَتَعَلَّق بِتَصْمِيمِ PDC، تُشِير هٰذِهِ النَتائِجِ إِلَى تَأْثِيراتِ طَفِيفَةٍ لِكُلِّ مِن التَقَلُّبات وَ LSB عَلَى الفَصْلِ عِنْدَما يَكُون LSB \(\le\) 20 ps.
بِالإِضافَةِ إِلَى مَوْضِعَ القِطَعِ الأَمْثَلُ المُسْتَخْدِمُ فِي الشَكْلِ [fig-separation-TDC-specs]، دَرَسْنا أَيْضاً تَأْثِيرِ مَواضِع القِطَعِ المُخْتَلِفَةِ عَلَى جُودَة الفَصْلِ. يُظْهِر الشَكْلِ [fig-separation-cut-pos] فَصْلِ تشيرينكوف (كَما فِي \(f_\text{Ceren}\)) مُقابِلَ مَواضِع القِطَعِ المُخْتَلِفَةِ فِي أَرْبَع تَكْوِينات مُخْتارَةٍ. ضِمْنَ هامِشِ 50 ps إِلَى اليَسارِ مِن المَوْضِعَ الأَمْثَلُ، فِي نَفْسِ مَوْضِعَ القِطَعِ، يَكُون تَأْثِيرِ تَقْلِيلِ التَقَلُّبات مِن 20 ps إِلَى 5 ps ضَئِيلاً عَلَى أَداءِ الفَصْلِ. بِالنِسْبَةِ لَقِيَم التَقَلُّبات المُقِيمَةِ، ضِمْنَ هامِشِ 20 ps إِلَى اليَسارِ مِن المَوْضِعَ الأَمْثَلُ، يَنْخَفِض مُتَوَسِّطُ \(f_\text{Ceren}\) لِ 96 مستشعر بِأَقَلِّ مِن 4%. أَكْثَرَ إِلَى اليَسارِ مِن هامِشِ 50 ps، يَنْخَفِض فَصْلِ تشيرينكوف بِشَكْلٍ مَلْحُوظٍ. مِن الشَكْلِ [fig-separation-cut-pos]، يُوحِي أَيْضاً أَنَّهُ بِالنِسْبَةِ لِلتَقَلُّبات \(\le\) 20 ps وَ LSB \(\le\) 10 ps، يُعْطِي هامِشِ 20 ps إِلَى اليَسارِ عَلَى الأَقَلِّ 3 مَواضِع تُلَبِّي شُرُوطٍ القِطَعِ ([eq_cond]) لِجَمِيعِ 96 مستشعر.
لُذّاً، لِضَمانِ أَداءِ الفَصْلِ القائِمِ عَلَى الزَمَنِ: 1) LSB \(\le\) 10 ps لَمَواضِع قَطْعِ كافِيَةٍ، 2) مَواضِع القِطَعِ ضِمْنَ هامِشِ 20 ps إِلَى اليَسارِ مِن المَوْضِعَ الأَمْثَلُ لِحَوالَى 70% مِن فَصْلِ تشيرينكوف، وَ 3) التَقَلُّبات \(\le\) 20 ps لِفَصْلِ فَعّالٌ.
لَتَقْيِيم كَيْفِيَّةِ تَأْثِيرِ نِسْبَةَ مُشارَكَةِ SPAD:TDC عَلَى جُودَة الفَصْلِ، اُسْتُخْدِمْنا تَهْيِئَةِ الجيتر 20 ps وَ LSB 10 ps. يَحْتَوِي مَصْفُوفه SPAD عَلَى 120 \(\times\) 120 خَلِيَّةٍ بِحَجْمِ ، أَيّ 14400 SPAD لِكُلِّ PDC. كُلِّ مَجْمُوعَةِ مِن SPADs بِأَبْعاد n \(\times\) n تُعْتَبَر مُشْتَرَكَةٍ فِي TDC، حَيْثُ n تَتَراوَح مِن 1 إِلَى 120. كُلِّ مَجْمُوعَةِ SPAD-TDC تُسَجِّل تَوْقِيتُ الضَرْبَةِ الأُولَى الَّتِي تَصِل فِي كُلِّ حَدَثَ.
يُظْهِر الشَكْلِ [fig-separation-nTDC] الفَصْلِ الشيرينكوفي (كَما فِي \(f_\text{Ceren}\) المُكْتَشِف فِي مَواضِع القِطَعِ المِثالِيَّةِ) مُقابِلَ عَدَدٍ TDCs (\(n_\text{TDC}\)). مِن هٰذا الشَكْلِ، مَعَ 4 TDCs / 14400 SPADs فَقَط (أَيّ SPAD:TDC = 3600:1)، فَإِنَّ الوَسِيطِ \(f_\text{Ceren}\) لا يَزال 71%. السَبَبِ هُوَ أَنَّ ضَرَباتٍ شيرينكوف نادِرَةً وَعادَةً ما تَكُون الضَرْبَةِ الأُولَى فِي الأَحْداثِ. فوتونات السنتله، الَّتِي تَصِل فِي الغالِبِ لاحِقاً، تَتَعَرَّض لِخَسائِرِ مُرْتَبِطَةً بالتكدس. وَبِالتالِي، مِن المُمْكِنِ فَصْلِ شيرينكوف والسنتله بِعَدَدٍ قَلِيلٍ جِدّاً مِن TDCs.
يُظْهِر الشَكْلِ [fig_nCut_nTDC] هامِشِ المَواضِع الَّتِي تُلَبِّي شُرُوطٍ القِطَعِ ([eq_cond]) حَوْلَ الإِعْدادُ المِثالِيُّ مُقابِلَ \(n_\text{TDC}\). فِي الحالَةِ القُصْوَى لِ 1 TDC / 14400 SPADs، لا تَزال جَمِيعِ المستشعرات تَحْتَفِظ بِهامِش يَتَكَوَّن مِن 3 مَواضِع عَلَى الأَقَلِّ تُلَبِّي شُرُوطٍ القِطَعِ ([eq_cond])، أَيّ هامِشِ 20 ps. اِسْتِناداً إِلَى مُحاكاةَ LoLX Gen1 لِمِلَفِّ زَمَنِيٍّ للفوتون، فَإِنَّ نِسْبَةَ مُشارَكَةِ SPAD:TDC لا تُؤَثِّر كَثِيراً عَلَى ال \(n_\text{Ceren}\) المُكْتَشِف، وَبِالتالِي، يَجِب اِتِّخاذِ قَرارِ بِشَأْنِ \(n_\text{TDC}\) اِسْتِناداً إِلَى مُتَطَلَّباتِ كُلِّ تَجْرِبَةِ، مِثْلَ المَزِيدِ مِن TDCs لِحِسابِ المَزِيدِ مِن الطَوابِع الزَمَنِيَّةِ للسنتله لَعَدَّ الفوتونات، أَو عَدَدٍ أَقَلَّ مِن TDCs لِمُعالَجَةِ الشَكْلِ الموجي.
النَتائِجِ المُقَدَّمَةِ فِي هٰذا العَمَلِ هِيَ لِمَصْدَرٍ \(\beta\) فِي وَسَطَ حالَةِ LXe. لَمَواضِع المَصْدَرُ المُخْتَلِفَةِ، نَتَوَقَّع تَحَوَّلا فِي مَوْضِعَ القِطَعِ المِثالِيُّ لِكُلِّ PDC بِما يَتَناسَب مَعَ مَدَى قُرْبَ PDC مِن نُقْطَةً التَفاعُل. قَد لا تَتَدَهْوَر أَداءِ الفَصْلِ الزَمَنِيِّ بَيِّنَ شيرينكوف والسنتله بِشَكْلٍ مَلْحُوظٍ طالَما تَمَّ الحِفاظِ عَلَى وُصُولِ فوتونات شيرينكوف الفَوْرِيِّ. لِلتَقْيِيم الدَقِيقِ، مِن الضَرُورِيِّ إِجْراءِ مَعايِره لَمَواضِع التَفاعُل المُخْتَلِفَةِ فِي الدِراساتِ المُسْتَقْبَلِيَّةِ لِ LoLX.
فِي هٰذا العَمَلِ، اُسْتُخْدِمْنا محاكي (PDC)، الَّذِي يَأْخُذ مَعْلُوماتٍ الضَوْء مِن نَمُوذَجَ مُحاكاةَ (LoLX)، لِدِراسَةِ تَأْثِيرِ مُعامَلاتِ (TDC) عَلَى أَداءِ الفَصْلِ القائِمِ عَلَى الزَمَنِ لِلكَشْفِ عَن (Cerenkov). تَهْدِف هٰذِهِ الدِراسَةُ إِلَى فَتْحِ هَوامِش المُواصَفاتِ لِلتَطْوِيرِ المُسْتَمِرِّ لَأَجْهِزَة (PDC) فِي (LoLX)، وَالَّتِي سَتَحِلّ مَحَلَّ أَجْهِزَةِ (SiPMs) المُسْتَخْدَمَةِ حالِيّاً فِي (LoLX).
تُظْهِر نَتائِجِ تَقَلُّباتِ (TDC) وَ(LSB) أَنَّ الفَصْلِ القائِمِ عَلَى الزَمَنِ يُحَسِّن الكَشْفِ عَن (Cerenkov) بِمُتَوَسِّطِ مِن 54% (بِاِسْتِخْدامِ مُرَشَّحات بَصَرِيّه) إِلَى 71% (مَعَ 100% PDE). هٰذِهِ النِسْبَةِ 71% مَحْدُودَةٍ بِمِلَفِّ زَمَنٍ الفوتون لَمُحاكاة (LoLX)، مِمّا يُشِير إِلَى فَعّالِيَّةِ الفَصْلِ القائِمِ عَلَى الزَمَنِ. تَكْفِي تَهْيِئَةِ بِتَقَلُّب 20 ps وَ(LSB) 10 ps لِتَوْفِيرِ هامِشِ قَطْعِ لا يَقِلّ عَن 3 مَواقِعِ (20 ps إِلَى اليَسارِ مِن الأَمْثَلُ) لِجَمِيعِ الحَسّاسات ال 96 بِمُتَوَسِّطِ فَصْلِ 70%. مَعَ مِلَفِّ زَمَنٍ الفوتون فِي مُحاكاةَ (LoLX Gen1)، تُظْهِر نَتائِجِ نِسْبَةَ المُشارَكَةِ بَيِّنَ (SPAD:TDC) أَنَّ مُعْظَمَ \(n_\text{Ceren}\) يُمْكِن اِكْتِشافها بِعَدَدٍ قَلِيلٍ مِن (TDCs)، مَثَلاً 71% \(n_\text{Ceren}\) بِاِسْتِخْدامِ 4 (TDCs) لِكُلِّ (PDC). وَبِالتالِي، يَجِب أَنَّ يَتِمّ تَحْدِيدِ \(n_\text{TDC}\) مِن مُتَطَلَّباتِ التَوْقِيتِ لِكُلِّ تَجْرِبَةِ، مِثْلَ عَدَّ الفوتونات أَو مُعالَجَةِ الشَكْلِ الموجي.
تَقَدَّمَ النَتائِجِ أَعْلاه مُخَطَّطا لِلمُواصَفاتِ، خاصَّةٍ عَلَى تَقَلُّباتِ (TDC) وَ(LSB)، لِتَسْرِيعِ تَطْوِيرِ (PDC) فِي (LoLX). بِمُجَرَّدِ جاهِزَيْهِ هٰذِهِ الأَجْهِزَةِ، سَيَتِمّ اِسْتِخْدامِ (LoLX) لِلتَحَقُّقِ تَجْرِيبِيّا مِن هٰذِهِ المُحاكاة.
نَشْكُر جُولِيان رَوِيّ-سابورين وَدِيفِيد بارَّيْهِ لِمُساعَدَتِهِم فِي مُطابَقَة مُخْرِجات مُحاكاةَ (LoLX) مَعَ مدخلات (DSAS). نَشْكُر أَيْضاً غابرِييِل بيلانجيه، جُولِيان روسينيول، زافييه غرولو، واودري كوربيل تيريان لِمُساعَدَتِهِم فِي اِسْتِخْدامِ حَزْمه (DSAS).