[論文レビュー] A 1 mm Scintillating Fibre Tracker Readout by a Multi-anode Photomultiplier

B. Leverington, M. Anelli+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2011

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 7被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、64チャネルの浜松H8500マルチアノードフォトマルチプライヤー（MA-PMT）を用いた1 mmのサイレントスチルレーティングファイバー・トラッカーのプロトタイプを提示し、4層の0.7 mm角ファイバーにおいてアナログで0.118 mm、デジタルで0.119 mmの空間分解能を達成した。研究ではクロストークとチャネルマッピングが重要な要因であると特定し、将来のLHCbトラッカーのアップグレードに向けた分解能と効率の向上を図る最適化されたファイバーからMA-PMTチャネルへのレイアウトを提案した。

ABSTRACT

This note describes a prototype particle tracking detector constructed with 1 mm plastic scintillating fibres with a 64 channel Hamamatsu H8500 flat-panel multi-anode photomultiplier readout. Cosmic ray tracks from an array of 11 gas-filled drift tubes were matched to signals in the scintillating fibres in order to measure the resolution and efficiency of tracks reconstructed in the fibre-based tracker. A GEANT4 detector simulation was also developed to compare cosmic ray data with MC results and is discussed in the note. Using the parameters measured in this experimental setup, modified fibre tracker designs are suggested to improve resolution and efficiency in future prototypes to meet modern detector specifications.

研究の動機と目的

• LHCb検出器のアップグレードに向け、1 mmのサイレントスチルレーティングファイバーを用いた高グレイン、放射線耐性のある粒子トラッカーの開発を目的とする。
• 宇宙線条件下でのマルチアノードフォトマルチプライヤー（MA-PMT）によるファイバー・トラッカーの空間分解能と効率を評価することを目的とする。
• 位置分解能と効率の向上に寄与する設計改善要因（ファイバーの形状、チャネル間隔、MA-PMTマッピングなど）を同定することを目的とする。
• 実験結果とGEANT4シミュレーションを比較し、性能を検証し、将来のプロトタイプ設計を指針づけることを目的とする。
• 高輝度LHC環境下でガス式ストロングチューブに代わるファイバー式トラッカーの実現可能性を評価することを目的とする。

提案手法

• 1 mmのプラスチックサイレントスチルレーティングファイバーを4～6層に配置し、1 mmまたは0.7 mmの水平間隔をとったプロトタイプ・トラッカーを構築した。
• トラッカーは、1光子電子分解能に最適化された64チャネルの浜松H8500フラットパネルMA-PMTで読み出された。
• 宇宙線トラックは、11個のガス充填ドリフトチューブアレイの信号とファイバー・トラッカーの信号を照合することで再構築された。
• 光子生成量、電荷分布、減衰、クロストーク効果をモデル化するため、GEANT4ベースのモンテカルロシミュレーションを構築した。
• フォトレコールド量、信号対雑音比、クロストーク、ヒット閾値設定の分析を通じて、ファイバー・トラッカーの性能を評価した。
• 隣接するチャネルへの配置を避けることでクロストークを低減し、位置分解能を向上させるファイバーからMA-PMTチャネルへのマッピング戦略を提案した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 64チャネルのMA-PMTで読み出される1 mmのサイレントスチルレーティングファイバー・トラッカーが、宇宙線条件下で達成可能な空間分解能は何か？
• RQ2 ファイバー形状（丸形対角形）、直径、チャネル間隔が位置分解能と効率に与える影響は何か？
• RQ3 MA-PMT内でのクロストークおよびファイバー間の光学的クロストークが、位置分解能に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 フォトデテクタの選択（例：H8500対H7456）が、信号出力、雑音、全体的なトラッカー性能に与える影響は何か？
• RQ5 改良されたファイバー・トラッカー設計は、LHCbアップグレード用途において、0.2 mm未満の分解能を達成しながら、高い効率と放射線耐性を維持できるか？

主な発見

• 4層の角形0.7 mmファイバー設計は、60 cmの距離でアナログで0.118 mm、デジタルで0.119 mmの空間分解能を達成し、<0.2 mmという目標を満たした。
• 6層の丸形0.7 mmファイバー設計は、60 cmの距離で0.122 mm（デジタル）の分解能を達成し、大径ファイバーと比較して性能が向上した。
• 隣接するMA-PMTチャネル間のクロストークが、デジタル読み出しにおける主な制限要因であると特定され、未是正の場合、分解能が最大20%低下する可能性がある。
• 隣接するチャネルへの配置を避けるファイバーからMA-PMTへのチャネルマッピング戦略の提案により、クロストークが顕著に低減され、分解能が向上した。
• 34%の量子効率と低いクロストークを有するH7456-100 MA-PMTは、将来のトラッカー設計においてH8500よりも優れた性能を示した。
• 最良の設計（例：4sqr0.7mm）では2.7 mmのヒット閾値で97%を超える効率を達成し、高い検出能力を示した。