[論文レビュー] Performance of the CALICE Scintillator-Based ECAL Depending on the Temperature

K. Kotera|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2012

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、最小線形粒子（MIP）応答から導出した温度依存のADC/MIP換算係数を用いて、CALICEのシンチレーション式電磁エネルギー遮へい器（ScECAL）に対する温度依存補正を提示する。この手法により、フェルミラブでの電子ビームテストにおいてエネルギー応答の非線形性が10%以上から1.5%未満に低減され、線形性とエネルギー分解能が顕著に向上する。

ABSTRACT

The CALICE collaboration is developing a granular electromagnetic calorimeter using (5-10) mm x 45 mm x 3 mm scintillator strips for a future linear collider experiment. Each scintillator strip is read out by using a Pixelated Photon Detector (PPD). A prototype module has been constructed and tested at Fermilab in 2008 and 2009. Since the sensitivity of the PPD is affected by temperature fluctuations, a temperature correction method has been established which performed such that the deviation of the measured response from a linear behavior is improved from greater than 10% to less than 1.5%.

研究の動機と目的

• 温度変動がPPD感度に影響することによるScECALエネルギー応答の非線形性を解消する。
• さまざまな温度において安定したADC/MIP換算係数を実現するための温度依存補正手法を開発する。
• 将来の線形衝突型加速器への応用を想定し、ScECALプロトタイプの線形性とエネルギー分解能を向上させる。
• フェルミラブで収集した制御された温度変動を伴う電子ビームデータを用いて補正を検証する。
• 実環境の熱的条件下で、グレイン状の遮へい器における正確な粒子エネルギー測定を可能にする。

提案手法

• ビームテスト中に、ScECALプロトタイプの表面温度を2方向の垂直位置で測定し、熱的変動をモニタリングする。
• 最小線形粒子（MIP）イベントを用いて、各温度点におけるADC/MIP換算係数を決定する。
• ADC/MIP係数を温度の線形関数としてフィットする：$ c_{ls}^{\text{MIP}}(T) = c_{ls}^{\text{MIP}}(T_0) + \frac{dc_{ls}^{\text{MIP}}}{dT} (T - T_0) $。
• 各イベントのエネルギー損失に、リアルタイムの温度ドリフトを補正するための温度依存補正係数を適用する。
• 発火ピクセル数を用いてPPDの飽和を補正するが、今後はPPDゲインの温度依存性も組み込む計画である。
• 全エネルギー損失を $ E_{\text{total}} = \sum_{l,s} \frac{E'_{ls}}{c_{ls}^{\text{MIP}}(T)} $ で再構築する。ここで $ E'_{ls} $ は飽和補正を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 温度変動がCALICE ScECALプロトタイプにおけるADC/MIP換算係数に与える影響は何か？
• RQ2 温度依存補正により、ScECALエネルギー応答の線形性はどの程度向上するか？
• RQ3 温度補正が電子ビームに対するScECALのエネルギー分解能に与える影響は何か？
• RQ4 温度変動は、シンチレーション遮へい器におけるPPDベース信号読み出しの安定性にどのように影響するか？
• RQ5 単純な線形温度補正モデルが、検出器応答における非線形性の主な要因を十分に説明できるか？

主な発見

• 温度補正により、エネルギー応答の線形フィットからの最大偏差が10%以上から1.5%未満に低減された。
• ADC/MIP係数の平均温度係数は-2.95%毎ケルビンであり、標準偏差は0.405%毎ケルビンであった。
• 補正後、エネルギー分解能の確率的項は13.16 ± 0.05%、定数項は2.32 ± 0.02%であった。
• センサ位置間の温度差が最大0.3 °Cであったにもかかわらず補正が有効であったため、均一な熱的環境であることが示された。
• 本手法は、PPDの温度感受性とシンチレーションの温度依存性の両方の影響を効果的に補正できた。
• リアルタイム温度データを用いて、イベントごとに補正を適用したため、高精度なエネルギー再構築が可能になった。