[論文レビュー] A Factor of Four Increase in Attenuation Length of Dipped Lightguides for Liquid Argon TPCs Through Improved Coating

Zander Moss, J. Moon+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2016

Photonic and Optical Devices参考文献 11被引用数 11

ひとこと要約

本論文では、機械的制御ドローデバイスと最適化されたコーティング配合比を用いた液体アルゴン時間投影連合器（LArTPC）用光導波路の改良されたドレインニング技術を提示する。この手法により、コーティング欠陥の低減とアクリル素材の本質的減衰特性との一致を実現し、減衰長が4倍に向上（2メートル以上に達する）ことで、ニュートリノ実験（DUNEおよびSBND）における光集光効率が顕著に向上する。

ABSTRACT

This paper describes new techniques for producing lightguides for detection of scintillation light in liquid argon time projection chambers. These can be used in future neutrino experiments such as SBND and DUNE. These new results build on a dipped-coating technique that was previously reported and is reviewed here. The improvements to the approach indicate a factor of four improvement in attenuation length of the lightguides compared to past studies. The measured attenuation lengths, which are >2 m, are consistent with the bulk attenuation length of the material. Schematics for a mechanical dipping system are provided in this paper. This system is shown to result in coatings with < 10% variations

研究の動機と目的

• 液体アルゴン時間投影連合器（LArTPC）用高機能光導波路をスケーラブルかつ再現可能に製造するための手法を開発すること。
• 従来のドレインニング光導波路に見られる短い減衰長の制限を是正し、ニュートリノ検出器における光集光効率の低下を是正すること。
• コーティングに起因する損失を最小限に抑えることで、アクリル素材の本質的減衰長に近い減衰長を達成すること。
• 機械的安定性およびコーティング厚さの均一性を確保することで、DUNEやSBNDなどの大規模ニュートリノ実験への導入を可能にすること。
• 液体アルゴン中での新光導波路の性能を、シミュレーションおよび計画中の実験的テストにより検証すること。

提案手法

• 均一なコーティング厚さを確保し、ばらつきを低減するため、垂直ドローサブジェクトを制御する機械的ドレインニングシステム（9秒のドローサブジェクト速度）を考案した。
• コーティングの均一性と散乱損失の低減を目的として、1 gのアクリルペレット、0.5 gのテトラフェニルブタジエン（TPB）、50 mLのトロレン、10 mLのエタノールを用いた最適化されたコーティング溶液を開発した。
• 内部応力を緩和し、光学的不均一性を低減するため、180–230 °Fでバーナー処理を行い、その後エタノール洗浄を実施した。
• 減衰長は、キャリブレーション済みLEDとPMトランシーバーを用いたセットアップで測定し、バーに沿った複数位置での光強度を記録し、指数関数的減衰モデルにフィットさせた。
• 全内部反射および光線パスを考慮し、空気中での前方および後方データを入力することで、Ref. [8] のシミュレーションモデルを用いて液体アルゴン中での性能を予測した。
• コーティングの均一性は、視覚的点検および減衰長測定値の統計的分析により確認され、バッチ間で10%未満のばらつきが確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 機械的制御ドレインニングシステムは、手動ドレインニングに比べてコーティング厚さのばらつきを低減し、減衰長を向上させることができるか？
• RQ2 コーティング欠陊および不均一性は、空気中および液体アルゴン中におけるドレインニング光導波路の減衰長にどの程度制限を及えるか？
• RQ3 空気中での測定減衰長は、屈折率および散乱環境を考慮すると、液体アルゴン中での性能を正確に予測できるか？
• RQ4 新しいコーティング配合比は、以前のバージョンと比較して、光学的均一性および損失メカニズムにおいてどのように優れているか？
• RQ5 新しい光導波路の液体アルゴン中での期待される減衰長は何か？また、アクリル素材の本質的減衰長に近づくか？

主な発見

• 機械的ドレインニング光導波路は、平均264 cm、標準偏差45 cmの減衰長を達成し、再現性が高くばらつきが小さいことが示された。
• 空気中での測定減衰長（264 cm）は、UTRANアクリルの本質的減衰長（420 nmで260 cmと報告）と一致しており、素材の本質的特性がコーティングに起因する損失よりも支配的であることを示している。
• 新しいコーティングプロセスにより、2015年の光導波路（液体アルゴン中で約50–60 cm）と比較して、減衰長の劣化が4分の1に低減された。
• シミュレーションでは、新しい光導波路が液体アルゴン中でも200 cmを超える減衰長を維持すると予測されており、空気中での測定値および素材の本質的特性と整合的である。
• 手動ドレインニングと機械的ドレインニングの結果が1σ以内で一致しており、機械システムの信頼性が裏付けられ、より高速なドローサブジェクト（例：5秒）を用いることでさらなる性能向上が期待できる。
• 今後の研究は、本質的減衰長が4 mを超えるアクリル素材を用いることで、次世代光導波路におけるより長い有効減衰長を実現することに注力すると予想される。