[論文レビュー] Compton Cherenkov Detector Development for ILC Polarimetry

Christoph Bartels, C. Helebrant+2 more|ArXiv.org|Feb 18, 2009

Particle Detector Development and Performance参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、国際線形衝突型加速器（ILC）における高精度なビーム偏光測定を目的として、コンプトン・チェレノフスキー検出器の開発と試験を報告する。新規の「U字型」プロトタイプ設計を用いて、フォトデテクタおよび読み出し回路の線形性試験において、0.1%未満の非線形性を達成した。これは、ILC物理学で求められる0.25%の精度水準における偏光測定のための検出器応答精度を著しく向上させた。

ABSTRACT

In order to fully exploit the physics potential of the ILC, it will be necessary to measure (and control) beam parameters to a permille level precision. In case of the beam polarisation, this can only be achieved with dedicated high energy Compton polarimeters and by improving the detector linearity, as well as the calibration of the analyzing power. This note summarises results of an early testbeam period with the Cherenkov detector of the SLD polarimeter, linearity measurements of readout electronics and photodetectors and compares simulation results of the SLD Cherenkov detector with those of a new `U-shaped' prototype.

研究の動機と目的

• ILCにおいて、$d\mathcal{P}/\mathcal{P} = 0.25\%$ またはそれ以下の精度でビーム偏光測定を達成すること。
• コンプトン偏光計における検出器の線形性および分析力のキャリブレーションを向上させること。
• 幾何的非対称性およびクロストークを低減するための新規「U字型」チェレノフスキー検出器プロトタイプの設計および試験を行うこと。
• パルス長法およびマスクベース法を用いて、フォトデテクタおよび読み出し回路の線形性を検証すること。
• GEANT4およびROOTベースのモデルを用いて、チェレノフスキー光の集光効率をシミュレーションし最適化すること。

提案手法

• SLDチェレノフスキー検出器を用いて、DESY-IIでのテストビーム実験を実施し、反射率およびクロストークを測定した。
• 青色LED（472 nm）および12ビットVME電荷デジタルコンバータ（QDC）を備えた部品試験台を用い、微分非線形性（DNL）および積分非線形性（INL）を測定した。
• フォトデテクタへの光強度を変化させるパルス長法を採用し、絶対キャリブレーションに依存しない線形性測定を可能にした。
• 幾何的非対称性およびクロストークを最小限に抑えるために、C₄F₁₀ガスおよびアルミチューブを用いた簡素化された二チャンネル「U字型」プロトタイプを設計した。
• GEANT4を用いてチェレノフスキー光の生成および輸送をモデル化し、ROOTマクロを用いてフォトデテクタの量子効率をシミュレーションした。
• 各チャンネルに対して4×4グリッド点での照度スキャンを実施し、1ショットあたり10,000電子を用いて、空間均一性および線形性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォトデテクタおよび読み出し回路の線形性は、0.1%未満の非線形性に達成可能かつ制御可能か？
• RQ2 SLD設計と比較して、「U字型」検出器の幾何形状は、幾何的非対称性およびクロストークを低減するか？
• RQ3 新規プロトタイプは、SLDチェレノフスキー検出器と比較して、光集光均一性をどの程度向上させるか？
• RQ4 絶対キャリブレーションを必要としないパルス長法は、フォトデテクタの非線形性を信頼性高く定量可能か？
• RQ5 SLD検出器と新規U字型プロトタイプとの間で、光強度分布のシミュレーション結果はどの程度一致するか？

主な発見

• SLDチェレノフスキー検出器は約90%の反射率を示し、非対称なクロストークを示しており、ビーム中心に隣接するチャンネルで光子数が高くなる傾向を示した。
• QDCの積分非線形性（INL）は1〜2 LSB（フルスケールの0.1〜0.2%）と測定され、読み出し回路の高い線形性が裏付けられた。
• パルス長法を用いたフォトデテクタ線形性試験では、4つの測定系列のうち3つでINL < 0.1%を達成し、0.1%未満の非線形性制御が実証された。
• 2番目の測定系列では補正に失敗し、INL ≈ 0.25%となった。これはキャリブレーション安定性の重要性を示している。
• 新規「U字型」プロトタイプ設計は、SLD検出器に見られた強い非対称性を解消し、光強度にわずかな不均一性しか示さなかった。
• 照度スキャンの結果、x方向およびz方向で良好な線形性が確認され、ビーム位置にかかわらず一貫した光出力が得られた。これは偏光測定に適した均一応答を示している。