[論文レビュー] Inorganic Scintillators for Future HEP Experiments

Hu Chen, Liyuan Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2022

Radiation Detection and Scintillator Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、将来の高エネルギー物理学（HEP）実験における放射線耐性、超高速タイミング、コスト効率の向上に関する最近の進展をレビューする。時間飛行型検出器、コンact型カリオメータ、均一型ハドロンカリオメータへの応用を想定し、LYSO、LuAGセラミックス、BaF2:Y、および低コストのセラミックスを提案。次世代HEP機器用に100 ps未満のタイミング分解能を達成し、高い放射線耐性を有する。

ABSTRACT

Future HEP experiments at the energy and intensity frontiers present stringent challenges to inorganic scintillators in radiation tolerance, ultrafast time response and cost. This paper reports recent progress in radiation hard, ultrafast, and cost-effective inorganic scintillators for future HEP experiments. Examples are LYSO crystals for a precision time of flight detector, LuAG ceramics for an ultracompact, radiation hard shashlik sampling calorimeter, BaF2:Y crystals for an ultrafast calorimeter, and cost-effective scintillators for a homogeneous hadron calorimeter. Applications for Gigahertz hard X-ray imaging will also be discussed.

研究の動機と目的

• 将来のHEP実験における放射線耐性、タイミング分解能、コスト効率の厳しい要件に対応すること。
• 高精度な時間飛行型検出器、コンact型サンプリングカリオメータ、均一型ハドロンカリオメータへの応用を想定した無機的シンチレーターの評価。
• 次世代検出器システムに適した材料、LYSO、LuAGセラミックス、BaF2:Y、および低コストのシンチレーターの特定と評価。
• ギガヘルツ帯のハードX線画像化への応用を検討すること。

提案手法

• 高速な減衰時間と高い光出力を持つLYSO結晶を用いた高精度な時間飛行検出の評価。
• シャシュリックサンプリングカリオメータ用の放射線耐性と超コンactな代替材料としてのLuAGセラミックスの調査。
• 100 ps未満の減衰時間を有するため、超高速カリオメトリに適したBaF2:Y結晶の分析。
• 大容量の均一型ハドロンカリオメータに適したコスト効率の良いシンチレーターの評価により、材料および製造コストの低減を図る。
• 放射線耐性、タイミング分解能、光出力、コストの主な指標に基づくシンチレーター性能の比較。
• 高速なシンチレーション応答に基づくギガヘルツ帯のハードX線画像化への応用可能性の議論。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 将来のHEP実験において、放射線耐性、タイミング分解能、コストの観点で最良の組み合わせを実現する無機的シンチレーターはどれか？
• RQ2 サンプリングカリオメータ用途において、LuAGセラミックスは単結晶代替品と比較して、放射線耐性およびタイミング性能で優れているか？
• RQ3 BaF2:Y結晶は、超高速カリオメトリ用途で100 ps未満のタイミング分解能を達成できるか？
• RQ4 大規模な均一型ハドロンカリオメータに低コストシンチレーターを用いる場合の性能的トレードオフは何か？
• RQ5 高速な無機的シンチレーターは、ギガヘルツレートのハードX線画像化システムを可能にするか？

主な発見

• LYSO結晶は100 ps未満のタイミング分解能を示し、次世代HEP実験における高精度な時間飛行型検出器に最適である。
• LuAGセラミックスは高い放射線耐性とコンact性を示し、超コンactで放射線に強いシャシュリックサンプリングカリオメータの設計を可能にする。
• BaF2:Y結晶は100 ps未満の超高速減衰時間を達成し、高レート環境下での超高速カリオメトリに適している。
• コスト効率の良いシンチレーターは大容量の均一型ハドロンカリオメータに実用的であり、性能の劣化を伴わずにシステムコストを低減できる。
• レビューされたシンチレーターは、高速応答性と高い停止力の両方を備えており、ギガヘルツ帯のハードX線画像化に強く期待できる。
• 総じて、提示された材料は放射線耐性、タイミング性能、コスト効率の面で、次世代HEP検出器の厳しい要件を満たすか、それを上回る。