[論文レビュー] A Design of Scintillator Tiles Read Out by Surface-Mounted SiPMs for a Future Hadron Calorimeter

Yong Liu, V. Büscher+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2015

Radiation Detection and Scintillator Technologies被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、ドーム型のキャビティに埋め込まれた表面実装型SiPM（SMD-SiPM）を用いた、極めて細粒なハドロン・カルォリメータの新規設計を提示する。最適化されたキャビティにより、光収率と空間均一性が向上し、1つのMIP応答が23.2 p.e.に達する。また、タイル面積の97.1%が10%以内の応答均一性を満たしており、将来の高精度物理学実験に向けた自動化された大量生産が可能となる。

ABSTRACT

Precision calorimetry using highly granular sampling calorimeters is being developed based on the particle flow concept within the CALICE collaboration. One design option of a hadron calorimeter is based on silicon photomultipliers (SiPMs) to detect photons generated in plastic scintillator tiles. Driven by the need of automated mass assembly of around ten million channels stringently required by the high granularity, we developed a design of scintillator tiles directly coupled with surface-mounted SiPMs. A cavity is created in the center of the bottom surface of each tile to provide enough room for the whole SiPM package and to improve collection of the light produced by incident particles penetrating the tile at different positions. The cavity design has been optimized using a GEANT4-based full simulation model to achieve a high response to a Minimum Ionizing Particles (MIP) and also good spatial uniformity. The single-MIP response for scintillator tiles with an optimized cavity design has been measured using cosmic rays, which shows that a SiPM with a sensitive area of only $\mathbf{1 imes1~mm^2}$ (Hamamatsu MPPC S12571-025P) reaches a mean response of more than 23 photon equivalents with a dynamic range of many tens of MIPs. A recent uniformity measurement for the same tile design is performed by scanning the tile area using focused electrons from a $\mathbf{^{90}Sr}$ source, which shows that around 97% (80%) of the tile area is within 90% (95%) response uniformity. This optimized design is well beyond the requirements for a precision hadron calorimeter.

研究の動機と目的

• 約1000万チャンネルを持つ将来のハドロン・カルォリメータのスケーラブルで自動化された読み出しソリューションを開発すること。
• SMD-SiPMをシンチレーター・タイルに直接接続する際の空間均一性の悪さという課題を克服すること。
• タイルの下面に形成されたキャビティ設計により、光収率と応答均一性を最適化すること。
• 表面実装型SiPMを用いることで、自動表面 mount（SMT）実装に適合した、大量生産可能なカルォリメータの実現を可能にすること。
• 宇宙線測定と90Sr源を用いた均一性スキャンにより、設計の妥当性を検証すること。

提案手法

• 30×30×3 mm³のシンチレーター・タイルにドーム型キャビティを形成するための、GEANT4ベースのフルシミュレーションモデルを構築し、幾何形状と表面特性を最適化した。
• シミュレーションには、シンチレーション、光子輸送、光学境界面相互作用を含む詳細な物理過程を組み込み、BC408シンチレーターと3M反射フィルムの波長依存のPDEおよび反射率データを用いた。
• キャビティは、ハマムツ・MPPC S12571-025P SMD-SiPM（1×1 mm²）を完全に包囲するように設計され、光収率の最大化と機械的安定性を確保した。
• キャビティのドーム形状、研磨された表面、最適化された寸法（高さと直径）は、SiPMの実装スペースと均一応答の両立を図るために選定された。
• 宇宙線測定を実施し、キャビティ内に配置されたSMD-SiPMの単一MIP応答を評価した。
• 高エネルギー電子を選択するための別個のシンチレーターからのトリガ信号を用い、90Srベータ源を0.5×0.5 mm²のステップでタイル表面に走査し、空間応答均一性を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シンチレーター・タイルにキャビティを形成することで、SMD-SiPM読み出しの空間均一性を向上させつつ、高い光収率を維持できるか？
• RQ2 1×1 mm²のSMD-SiPMに対して、単一MIP応答と均一性を最大化するキャビティの幾何形状と表面処理は何か？
• RQ3 最適化された設計は、約1000万チャンネルを持つ高粒度ハドロン・カルォリメータの自動大量生産を可能にするか？
• RQ4 キャビティ設計の応答均一性は、フルGEANT4シミュレーションによる理論的予測とどのように一致するか？
• RQ5 選択されたSiPMの観測可能なMIP数の動的範囲はどの程度か？

主な発見

• 最適化されたドーム型キャビティは、ハマムツ MPPC S12571-025P SMD-SiPMに対して平均23.2光子等価（p.e.）の単一MIP応答を達成した。
• 応答均一性測定では、平均応答20.6 p.e.からの偏差が10%以内のタイル面積が97.1%に達し、そのうち80.8%が5%以内に収束した。
• 高い単一MIP応答とSMD-SiPMのピクセル数（1600）を踏まえ、数十個のMIPを検出可能な十分な動的範囲を有していることが確認された。
• 測定された均一性はGEANT4シミュレーションと整合しており、光収率と応答分布の予測能力を検証した。
• キャビティ設計により、SMD-SiPMをタイル内に完全に封入可能となり、読み出し基板への標準的で自動化された表面実装はんだ付けが可能になった。
• 新しい低クロストークSiPMプロトタイプの初期結果では、ダークカウントレートが33 kHz（現在のモジュールの100 kHz）に低下しており、性能向上の可能性が示された。