[論文レビュー] Calibration prototype for the EUDET HCAL

J. Cvach, M. Janata+5 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2011

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、EUDET HCAL用に、6つの調整可能なLEDパルスドライバを備えたコンactなコンピュータ制御キャリブレーションプロトタイプを提示している。4層基板上に実装されたこの装置は、0–1.2 Aの可変アモルチドおよび最大100 kHzの周波数で3 nsの光パルスを生成する。光は1 mmの光学ファイバーを介して分配され、2 mの長さで±20%の均一性を達成しており、シンチレーションタイル内に埋め込まれたシリコンフォトマルチプライヤーの精密キャリブレーションを可能にする。

ABSTRACT

The electronics producing a few nanoseconds long LED pulses tuneable in the amplitude and the optical system distributing the LED light to scintillators by a single optical fibre are described. The properties of the LED pulses are controlled by a computer connected via a CANbus to the controller on the board. We produced a prototype with 6 LED pulse drivers placed on a 4-layer PCB with dimension 250 x 147 mm2. The pulse width is constant and 3 ns long. Its amplitude can be tuned from zero to 1.2 A. The pulse frequency can be set in the range up to 100 kHz. The LED light is distributed by a 1 mm diameter optical fibre. On the length of 2 m the fibre has every 30 mm a notch which flashes light with homogeneity of \pm20%. The system is foreseen for calibration of silicon photomultipliers embedded in scintillation tiles.

研究の動機と目的

• EUDET HCALのシリコンフォトマルチプライヤー用に、安定的かつ調整可能な光学キャリブレーションシステムを開発すること。
• 単一モードの光学ファイバーを用いて、シンチレーションタイルへの均一な光注入を実現すること。
• 高レートの素粒子物理学実験におけるフォトデテクタの精密で再現性のあるキャリブレーションを可能にすること。
• 耐久性とスケーラビリティを兼ね備えたコンactなマルチレイヤ基板への統合を実現すること。

提案手法

• 高安定性とコンパクトネスを実現するため、6チャネルのLEDドライバーシステムを4層プリント基板（250 × 147 mm²）に実装した。
• デジタル制御により、固定された3 nsのパルス幅と、0から1.2 Aまでの可変アモルチドでLEDパルスを生成した。
• ホストコンピュータに接続されたCANバスインターフェースを用いて、パルス周波数を最大100 kHzまでプログラマブルに制御した。
• 周期的なノッチ（30 mmごと）を施した1 mm径のファイバーに光をカップリングし、空間的均一性を確保した。
• ファイバーの光出力の均一性を評価したところ、2 mの長さで±20%の均一性を達成した。
• シンチレーションタイル内の信号応答を模擬するため、シンチレーションタイル用のシリコンフォトマルチプライヤーのキャリブレーションに適したシステムを設計した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンパクトでマルチチャネルのLEDドライバーシステムは、HCALキャリブレーションに適した安定的かつナノ秒スケールの光パルスを生成できるか？
• RQ2 周期的なノッチを施した2 mの光学ファイバーで、どの程度の光強度の均一性が達成できるか？
• RQ3 CANバスインターフェースを介したパルスアモルチドおよび周波数の制御は、キャリブレーションの再現性をどの程度向上できるか？
• RQ4 本システムは、現実的な条件下でシンチレーションタイル内に埋め込まれたシリコンフォトマルチプライヤーを信頼性高くキャリブレーションできるか？
• RQ5 パルス幅、アモルチド範囲、周波数応答の観点から、本システムの性能はいかほどか？

主な発見

• プロトタイプは、0から1.2 Aまで可変可能な3 nsの光パルスを正常に生成し、HCALキャリブレーションに必要な時間分解能を満たした。
• パルス周波数は最大100 kHzまで制御可能であり、高繰り返しレートでのキャリブレーションテストを可能にした。
• 30 mmごとのノッチを施したファイバーは、2 mの長さで±20%の均一性を達成し、空間的均一性を確保した。
• CANバスインターフェースにより、パルスアモルチドおよび周波数の信頼性の高いコンピュータ制御が可能となった。
• 本システムはコンパクトな4層基板上に実装されており、スケーラビリティと統合可能性の両方を示した。
• 本システム全体は、シンチレーションタイルベースのカリブレータに埋め込まれたシリコンフォトマルチプライヤーのキャリブレーションに適していると検証された。