[論文レビュー] Performance of Scintillator Counters with Silicon Photomultiplier Readout

Mu2e Collaboration Cosmic Ray Veto Group, A. Artikov+16 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2015

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、フェルミラブの120 GeVプロトンを用いて、Mu2eの宇宙線遮断系におけるシンチレーターカウンタとシリコンフォトマルチプライヤ（SiPM）読み出しの性能を評価した。カウンタ幅にわたる均一な横方向応答、繊維の減衰長と整合する一貫性のある縦方向応答、1.4 mm繊維と比較して1.8 mm繊維で15%高い光出力が確認され、高放射線環境下での高精度粒子検出に適していることが裏付けられた。

ABSTRACT

The performance of scintillator counters with embedded wavelength-shifting fibers has been measured in the Fermilab Meson Test Beam Facility using 120 GeV protons. The counters were extruded with a titanium dioxide surface coating and two channels for fibers at the Fermilab NICADD facility. Each fiber end is read out by a 2*2 mm^2 silicon photomultiplier. The signals were amplified and digitized by a custom-made front-end electronics board. Combinations of 5*2 cm^2 and 6*2 cm^2 extrusion profiles with 1.4 and 1.8 mm diameter fibers were tested. The design is intended for the cosmic-ray veto detector for the Mu2e experiment at Fermilab. The light yield as a function of the transverse and longitudinal position of the beam will be given.

研究の動機と目的

• Mu2eの宇宙線遮断（CRV）システムに使用するため、波長シフト繊維とSiPM読み出しを備えたシンチレーターカウンタの性能を検証すること。
• 120 GeVプロトンビーム照射下で、幅が異なる（50 mm、60 mm）および繊維径が異なる（1.4 mm、1.8 mm）カウンタの横方向および縦方向応答を測定すること。
• 高放射線環境下で99.99%の遮断効率を満たすというCRVの厳しい要件を満たしていることを保証すること。
• 信号の均一性、端効果、およびカウンタ間の1 mmギャップや繊維の穴が光出力および検出効率に与える影響を評価すること。

提案手法

• シンチレーターカウンタは、ジルコニア酸化チタン被膜を施し、1.4 mmおよび1.8 mmの直径を有する波長シフト繊維（Kuraray Y11 non-s 型、175 ppm）を内蔵して押出成形された。
• 各繊維の先端は、スプリング付きピンを介した機械的接触を確保するための基板に実装された2×2 mm²のHamamatsu S13360-2050VE SiPMで読み取られた。
• 信号はHDMIケーブルを介してカスタムフロントエンド電子回路で増幅・デジタル変換され、各ディーカウンタの両端からデータが収集された。
• カウンタはフェルミラブのメソンテストビーム施設で120 GeVプロトンビームにさらされ、ビーム位置および入射角を変化させることで横方向および縦方向応答をマップした。
• SiPMのピクセル数による応答測定が行われ、クロストークの補正を検討し、真の光電子出力の推定値を得た。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、濃色の繊維ガイドバーによる光子吸収をモデル化し、端部での縦方向応答低下を説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SiPM読み出しを備えたシンチレーターカウンタの横方向応答は、幅全体でどれほど均一であり、特に端縁部やカウンタ間ギャップ部でどのように変化するか？
• RQ2 カウンタの長さに沿った縦方向応答はどのように変化するか？また、予想される繊維減衰長と整合するか？
• RQ3 同じシンチレーター成形品内での1.4 mmおよび1.8 mm径の波長シフト繊維の間で、相対的な光出力差はどの程度か？
• RQ4 繊維の穴やカウンタ間の1 mmギャップが、信号振幅および検出の均一性にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ5 SiPMにおけるクロストーク効果はピクセル数にどのように影響し、補正後の真の光電子出力は推定されるか？

主な発見

• 横方向応答はカウンタ幅全体で非常に均一であり、端縁から0.5 mmの位置で信号が50%未満に低下するのみで、優れた空間分解能を示している。
• 隣接するカウンタ間の1 mmの有効ギャップが明確にデータに現れており、それに伴う信号の低下が確認され、機械的設計の正確性が裏付けられた。
• ビームが繊維の穴を通過する際、信号は20–25%低下し、シンチレーター内でのパス長の短縮と整合的である。
• 縦方向応答は、予想される繊維減衰長と整合しており、成形品の全長にわたり顕著な非均一性は認められなかった。
• 1.8 mm径の繊維は1.4 mm径の繊維と比較して約15%高い光出力を示したが、ベンチテストではずれの影響により40%の増加が予想される。
• 初期のクロストーク補正後、推定光電子出力は測定されたピクセル数のおよそ半分にとどまり、現在のSiPMモデルでは顕著なクロストークが確認された。