[論文レビュー] Benchmarking TPB-coated Light Guides for Liquid Argon TPC Light Detection Systems

Brian J. Baptista, L. Bugel+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2012

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 15被引用数 16

ひとこと要約

この論文は液体アルゴン時間投影連合器（LArTPC）におけるテトラフェニルビスホスフィン（TPB）被膜付き光導波路のベンチマークを実施し、UVTアクリルを基体とする被膜が10 cmで約21.9 フォトン電子（PE）を達成することを示した。これは以前に報告された値の3倍に相当し、サイレント光検出に非常に効果的である。本研究では、UVTアクリルとポリスチレンを基体とするTPB被膜を比較し、液体アルゴン中でも同等の性能を示すことを確認した。今後のLArTPC実験における正確なシミュレーションモデリングのためのデータを提供している。

ABSTRACT

Scintillation light from liquid argon is produced at 128 nm and thus must be shifted to visible wavelengths in light detection systems used for Liquid Argon Time Projection Chambers (LArTPCs). To date, designs have employed tetraphenyl butadiene (TPB) coatings on photomultiplier tubes (PMTs) or plates placed in front of the PMTs. Recently, a new approach using TPB-coated light guides was proposed. In this paper, we show that the response of lightguides coated with TPB in a UV Transmitting (UVT) acrylic matrix is very similar to that of a coating using a polystyrene (PS) matrix. We obtain a factor of three higher light yield than has been previously reported from lightguides. This paper provides information on the response of the lightguides so that these can be modeled in simulations for future LArTPCs. This paper also identifies areas of R&D for potential improvements in the lightguide response

研究の動機と目的

• LArTPC用光検出システムにおけるTPB被膜付き光導波路の性能を評価およびベンチマーク化すること。
• 液体アルゴン条件下におけるUV透過性（UVT）アクリルとポリスチレンを基体とするTPB被膜の応答を比較すること。
• 今後のLArTPC検出器設計のため、光導波路の減衰および光出力に関する測定可能な、シミュレーション用のデータを提供すること。
• 液体アルゴン中における光導波路効率および応答の一様性を向上させるための主要な研究開発分野を特定すること。
• 非指数減衰を考慮した、角度依存性および表面効果を組み込んだレイトレーシングモデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• UVTアクリルおよびポリスチレンのバーを用いて光導波路を製作し、UVT33%およびPS25%配合のTPBで被膜処理した。
• パルス式UV LED光源とキャリブレーション済みPMTを用いて、バーに沿ったさまざまな距離でのフォトン電子（PE）出力を測定した。
• 空気および液体アルゴン中での減衰測定を実施し、波長依存性および角度依存性の損失を評価した。
• 可変の表面吸収係数（1回の反射あたり3%）を有するレイトレーシングモデルを適用し、光の伝搬および非指数減衰をシミュレートした。
• 指数関数的および非指数関数的モデルを用いて減衰データにフィットさせ、後者が実験結果とより良好に一致した。
• TPB発光スペクトル全域にわたる単色LEDを用いて、波長依存の表面吸収係数を調整した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 液体アルゴン中におけるTPB被膜付きUVTアクリル光導波路の光出力は、ポリスチレン被膜光導波路と比べてどのように異なるか？
• RQ2 液体アルゴン中におけるTPB被膜光導波路の有効減衰長は何か？また、指数減衰モデルに従うか？
• RQ3 角度依存性および表面吸収を組み込んだレイトレーシングモデルは、実験で観測された非指数減衰を正確に予測できるか？
• RQ4 TPB被膜光導波路における10 cmでの総フォトン電子（PE）出力は何か？また、以前に報告された値と比べてどう異なるか？
• RQ5 空気と液体アルゴン間の屈折率の違いおよび表面粗さが、光導波路の性能および減衰に与える影響は何か？

主な発見

• TPB被膜付きUVTアクリル光導波路は、10 cmでの総フォトン電子（PE）出力が21.9 PEに達し、以前に報告された光導波路の3倍の改善を示した。
• PS25%ポリスチレン被膜は空気中でわずかに優れた透過率を示したが、液体アルゴン中での性能はUVT33%アクリルと同等であり、UVTアクリルは約1.3倍高い応答を示した。
• 液体アルゴン中での減衰データは指数関数的フィットから著しく逸脱しており、最良のフィットでは10 cm点を含むと44 cm、含まない場合は79 cmの減衰長が得られ、非指数的挙動を示した。
• 1回の反射あたり3%の表面吸収係数を有するレイトレーシングモデルは、単純な指数関数的フィットよりも実験結果と良好に一致した。特に、光線の角度依存性が寄与していた。
• TPB発光スペクトル全体にわたって平均化した場合、波長依存の減衰は全体的な予測にほとんど影響を及ぼさず、モデルの頑健性を裏付けた。
• 導波光の波長よりも長いスケールの表面粗さは最小限の影響しか及たないが、波長未満の粗さは表面吸収係数に統合されていた。