[論文レビュー] New detectors for the kaon and hypernuclear experiments with KaoS at MAMI and with PANDA at GSI

P. Achenbach, C. Ayerbe Gayoso+32 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2006

Particle Detector Development and Performance参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、MAMIおよびGSI施設における中間子およびハイパーニトリウム物理学実験のための新しい高分解能シンチレーティングファイバー検出器および高純度ゲルマニウム（HPGe）分光計の開発と試験を提示している。HPGe検出器が1.2 Tの磁場下でも0.3%未満のエネルギー分解能（FWHM）を維持できることを示しており、これはPANDAおよびKaoS実験に不可欠な高精度なガンマ線分光を可能にする。

ABSTRACT

The KaoS spectrometer at the Mainz Microtron MAMI, Germany, is perceived as the ideal candidate for a dedicated spectrometer in kaon and hypernuclei electroproduction. KaoS will be equipped with new read-out electronics, a completely new focal plane detector package consisting of scintillating fibres, and a new trigger system. First prototypes of the fibre detectors and the associated new front-end electronics are shown in this contribution. The Mainz hypernuclei research program will complement the hypernuclear experiments at the planned FAIR facility at GSI, Germany. At the proposed antiproton storage ring the spectroscopy of double Lambda hypernuclei is one of the four main topics which will be addressed by the PANDA Collaboration. The experiments require the operation of high purity germanium (HPGe) detectors in high magnetic fields (B= 1T) in the presence of a large hadronic background. The performance of high resolution Ge detectors in such an environment has been investigated.

研究の動機と目的

• MAMIにおけるKaoS分光計のための高度な焦点面検出器を開発し、電子散乱実験における中間子およびハイパーニトリウムの高効率検出を可能にする。
• GSIのPANDA実験に典型的な強磁場（最大1.2 T）下でも、高純度ゲルマニウム（HPGe）検出器を用いた高分解能ガンマ線分光を確保する。
• 奇妙粒子生成実験に特徴的な高レート・高バックグラウンド環境において、エネルギー分解能と信号整合性を維持する課題に対処する。
• 将来のPANDAおよびKaoS実験に向けた新しいフロントエンド電子回路およびトリガー系の性能を、現実的な磁場条件下で検証する。

提案手法

• 384本のシンチレーティングファイバー（Kuraray SCSF-78）を用いた3重検出器モジュールのプロトタイプ設計および試験。各96チャンネルのフロントエンド基板にはマルチアノードフォトマルチプライヤー（MAPMT）とCockcroft-Walton電圧倍圧回路を搭載。
• 60°のファイバー束構成を採用。2層のファイバー配列を半分のファイバー間隔分ずらすことで、検出効率と空間分解能を向上（ピッチ：0.42 mm）。
• 100 MHz、12ビットのSIS3300 FADCを用いてプリアンプ信号をデジタル化。移動ウィンドウデコンボリューション（MWD）を用いて指数関数的信号尾を補正し、パルス波形およびエネルギー情報を抽出。
• 60Co源を用いて、磁場強度が1.2 Tに達する範囲でHPGe検出器（VegaおよびEuroballクラスタ）のエネルギー分解能（FWHM）を測定。バックグラウンドモデルにはガウス関数、歪んだガウス関数、ステップ関数を用いる。
• 磁場の方向および強度を変化させた場合の検出器性能の系統的評価を実施。磁場暴露後にもエネルギー分解能が完全に回復することを確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PANDAの二重-Λハイパーニトリウム分光に求められるように、高純度ゲルマニウム検出器が1.2 Tまでの磁場下でも0.3%未満のエネルギー分解能（FWHM）を維持できるか？
• RQ2 強磁場（B ≈ 1 T）が、高バックグラウンド環境下で使用されるHPGe検出器のパルス波形およびエネルギー分解能に及ぼす影響は何か？
• RQ3 中間子およびハイパーニトリウム実験に最適なシンチレーティングファイバー検出器の配置（幾何学的配置、ピッチ、読み出し電子回路）は何か？
• RQ4 移動ウィンドウデコンボリューション（MWD）は、高磁場下で指数関数的減衰により歪んだプリアンプ信号の全振幅を効果的に回復できるか？
• RQ5 磁場の方向が検出器軸に対してどのように相対的に配置されているかが、セグメント化HPGe検出器のエネルギー分解能に与える影響は何か？

主な発見

• 1.2 Tでの1つのEuroball結晶のエネルギー分解能は0.3% FWHMで測定され、強磁場下での高精度ガンマ線分光の実現可能性が裏付けられた。
• Vega HPGe検出器は、磁場の方向にかかわらず一貫したエネルギー分解能を示し、0.3 Tまたは1.2 Tの条件下でも顕著な劣化は観察されなかった。
• 移動ウィンドウデコンボリューション（MWD）アルゴリズムにより、指数関数的信号尾の影響を受けるプリアンプ信号の初期振幅が正常に回復され、正確なエネルギー抽出が可能となった。
• 58.4 mm幅のファイバー束と0.42 mmピッチを有するプロトタイプ3重検出器は、高レートの中間子検出に適した高い検出効率と空間分解能を達成した。
• 1.2 Tでの連続2日間の運転中にFETの故障、真空破壊、スパークの発生は一切観察されず、システムの安定性が確認された。
• Vega検出器のエネルギー分解能は、FADCのサンプリングウィンドウ幅（M）が増加するにつれて向上し、磁場の影響下でより長い積分時間により分解能が向上することが示された。