[論文レビュー] Optimisation and Characterisation of Glass RPC for India-based Neutrino Observatory Detectors

R. Kanishka, V. Bhatnagar+1 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2016

Particle Detector Development and Performance参考文献 12被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、インドに位置するニュートリノ観測所のICAL検出器向けに、ガラス抵抗性板チャンバー（RPC）の最適化と特性評価を実施し、モディガラスと比較してアサヒおよびセントゴバンのガラス電極を評価した。マルチパラメータテストの結果、3ガス混合ガスを用いたアバランチモードにおいて、両社のガラス電極が90%を超える高い効率（>90%）と30%未満の低いクロストーク（<30%）を示し、15〜20年間の連続運用においても長期的な性能を維持可能なことが判明した。

ABSTRACT

The proposed magnetised Iron CALorimeter detector (ICAL) to be built in the India-based Neutrino Observatory (INO) laboratory aims to detect atmospheric muon neutrinos. In order to achieve improved physics results, the constituent components of the detector must be fully understood by proper characterisation and optimisation of various parameters. Resistive Plate Chambers (RPCs) are the active detector elements in the ICAL detector and can be made of glass or bakelite. The number of RPCs required for this detector are very large so a detailed study is necessary to establish the characterisation and optimisation of these RPCs. These detectors once installed will be taking data for 15-20 years. In this paper, we report the selection criteria of the glass electrodes procured from Indian manufacturers. Based on the factors that deteriorate the quality of glass the choice of electrode is made. The glass characterisation studies include UV-VIS transmission for optical properties, SEM, AFM for surface properties, WD-XRF, PIXE for determining the composition of glass samples and electrical properties. Based on these techniques a procedure is adopted to arrive at the best glass sample. We have done a second order check on the quality of the fabricated glass RPCs. In this regard, the efficiency and cross-talk of RPCs were measured. Results from Asahi and Saint Gobain glass RPCs came out to be the best.

研究の動機と目的

• インドに位置するニュートリノ観測所（INO）のICAL検出器における長期間運用に最適なガラス電極材料を特定すること。
• RPCが15〜20年間にわたる連続データ取得においても高い効率と低いクロストークを維持できることを保証すること。
• 物理的・電気的・光学的・組成的特性に基づき、インド製メーカー（アサヒ、セントゴバン、モディ）のガラス試料を特性評価および比較すること。
• 異なるガス混合比および動作モード下での効率およびクロストーク測定を用いて、製造されたRPCの性能を検証すること。
• RPCにおける老化および信号劣化を最小限に抑えるために、高品質なガラス電極を選定する標準化手順を確立すること。

提案手法

• アサヒ、セントゴバン、モディの各メーカーからガラス試料を調達し、比較分析を実施した。
• 紫外可視透過率測定、走査型電子顕微鏡（SEM）、原子力顕微鏡（AFM）、エネルギー分散型X線顕微分析（WD-XRF）、PIXEを用いて、光学的・表面的・元素的特性を評価した。
• 電気的抵抗率およびボリューム抵抗率を測定し、目的範囲（10^10–10^12 Ω·cm）内に収まっているかを確認した。
• 選定されたガラス電極を用いて30 cm × 30 cmのRPCを製作し、2ガスおよび3ガス混合ガスを用いたアバランチモードおよびストリーマモードでテストを行った。
• 宇宙線トリガーとストリップのアライメントを用いて、信号クロストークおよび検出性能を評価するため、効率およびクロストークを測定した。
• 2次的妥当性確認として、異なるガス組成および動作電圧におけるクロストークと効率を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アサヒ、セントゴバン、モディのうち、どのガラス電極材料が長期間運用に適した光学的・電気的・表面的特性の組み合わせを示すか？
• RQ2 ガス混合ガスにSF6およびアルゴンを追加することで、アバランチモードおよびストリーマモードにおけるRPCの効率およびクロストークにどのような影響を与えるか？
• RQ3 動作電圧とRPC効率の関係は何か？各ガラス種別において、一定値に飽和するか？
• RQ4 ガラスの品質がクロストークに与える影響はどの程度で、最適化されたガス組成によってこれを軽減できるか？
• RQ5 マルチパラメータ特性評価に基づき、ガラス電極の標準化選定手順を確立できるか？

主な発見

• アサヒおよびセントゴバンのガラス電極は、3ガス混合ガスを用いたアバランチモードで90%を超える高い効率（>90%）を示した。
• 3ガス混合ガスを用いた場合、アサヒおよびセントゴバンのRPCではクロストークが12–30%に抑えられたのに対し、モディガラスでは60%に上昇した。
• SF6をガス混合ガスに加えることで、より高い動作電圧下で効率が90%以上に飽和し、変動が小さくなった。
• 2ガスアバランチモードでは、効率の変動が大きく、クロストークも増加（84–87%の効率、84–87%のクロストーク）した。
• モディガラスRPCは、3ガスアバランチモードにおいても最大60%のクロストークと低い効率（91%）を示し、材料品質の問題が判明した。
• セントゴバンおよびアサヒのRPCは、3ガスアバランチモードでそれぞれ12%および30%の安定したクロストーク値を達成し、長期運用に適していることが確認された。