[論文レビュー] Performance of Wavelength-Shifting Fibers for the Mu2e Cosmic Ray Veto Detector

G. DeZoort, E. C. Dukes+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2015

Particle Detector Development and Performance被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ムーエ宇宙線遮断装置（CRV）システムにおける波長シフト繊維（WLS）の評価を、光出力と減衰を測定するためのカスタム繊維スキャナを用いて実施した。1.4 mmおよび1.8 mm径のカーライ Y11 WLS繊維は、1.0 mm繊維と比較してそれぞれ2倍および3倍の光出力を示し、520–600 nm範囲で10 mを超える長い減衰長を示した。これは、粒子物理学実験における高遮断効率を実現するためのシンチレーション検出器読み出しに最適化された性能である。

ABSTRACT

The Mu2e experiment will search for a neutrino-less muon-to-electron conversion process with almost four orders of magnitude of sensitivity improvement relative to the current best limit. One important background is caused by cosmic ray muons, and particles produced by their decay or interactions, mimicking the conversion electron signature. In order to reach the design sensitivity, Mu2e needs to obtain a cosmic ray veto (CRV) efficiency of 99.99\%. The CRV system consists of four layers of plastic scintillating counters read out by silicon photo-multipliers (SiPM) through wavelength shifting fibers. The CRV counters must produce sufficient photo statistics in order to achieve the required veto efficiency. We study the light properties of several wavelength shifting fiber sizes in order to optimize the total light yield for the CRV system. The measurements are performed using a scanner designed to ensure fiber quality for the CRV.

研究の動機と目的

• ムーエ宇宙線遮断装置（CRV）システムにおける波長シフト（WLS）繊維の光出力と減衰を最適化すること。
• 宇宙線ミューオン背景を99.99％の遮断効率で抑制する必要があるため、CRVシステムにおける繊維の品質と一貫性を保証すること。
• カスタムスキャナを用いて、異なるWLS繊維径（1.0、1.4、1.8 mm）の光出力とスペクトル減衰を測定・比較すること。
• シリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）を用いた長距離シンチレーション検出器読み出しに適した、カーライ Y11 WLS繊維とK27染料の適合性を検証すること。
• 数千メートルにわたる繊維の生産工程における品質保証を可能にする、信頼性の高い繊維スキャナの開発

提案手法

• 最大径0.2 cmまでのWLS繊維を、最小曲げ半径を超えないように処理できる62 cm径の取り出しドラムを備えたカスタム繊維スキャナを設計した。
• 青色LEDがWLS繊維を励起し、絶対的光出力を測定するために大面積のハマムツ・S1227-1010BRフォトダイオードを、スペクトル応答を測定するためにSTS-VIS USB分光計を用いた。
• ステッピングモーターを用い、加速・減速を制御することで、25 mの繊維長さを5 cm間隔で段階的測定を可能にした。
• データ取得はラズベリー・パイを介してリモートで管理され、モーターの駆動制御およびフォトダイオードと分光計の測定値の記録が行われた。
• 光出力は二重指数減衰関数 $ f(x) = A e^{-x/λ_S} + B e^{-x/λ_L} $ を用いてモデル化し、短距離および長距離減衰成分を抽出した。
• スペクトル減衰は、強度対距離の単一指数関数フィットを用いて、異なる発光波長（350–800 nm）における減衰長を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 繊維径（1.0、1.4、1.8 mm）がカーライ Y11 WLS繊維の光出力に与える影響は何か？
• RQ2 500–600 nm発光スペクトル範囲におけるWLS繊維の減衰長は何か？距離に応じてどのように変化するか？
• RQ3 繊維長手方向における発光のスペクトル分布は、特に500–600 nm範囲でどのように変化するか？
• RQ4 カスタム繊維スキャナは、光出力測定によって繊維の欠陥や不均一性を信頼性高く検出できるか？
• RQ5 太い繊維は、長距離シンチレーションカウンタのSiPMベース読み出しにおける光収集効率をどの程度向上させるか？

主な発見

• 1.8 mm径のカーライ Y11 WLS繊維は、1.0 mm繊維と比較して光出力が約3倍高いことが判明した。
• 1.4 mm繊維は1.0 mm繊維と比較して光出力が約2倍高く、径に依存する明確な利得が示された。
• 太い繊維（1.4および1.8 mm）は1.0 mm繊維よりもわずかに優れた減衰特性を示し、距離に伴う信号損失が低減された。
• スペクトル応答から、短波長成分（例：500 nm未満）は長波長成分（520–600 nm）よりも急速に減衰することが判明した。
• SiPMのピーク感度と一致する520–600 nm発光帯域では、減衰長が10 mを超えることが確認された。
• 繊維スキャナは、光出力の急激な低下や非均一な減衰を検出し、生産段階での効果的な品質保証を可能にした。