[論文レビュー] PWO crystals for CMS electromagnetic calorimeter : studies of the radiation damage kinetics

G. Drobychev, E. Auffray+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2005

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、CMS電磁エネルガリメータに使用されるPWOシンチレーション結晶における放射線損傷のキネティクスを調査し、放射線照射下での光学透過率の変化を測定することで劣化と回復を評価している。結晶の性質とエネルギー分解能の上限を結びつける手法を提案し、高エネルギー物理学実験用に放射線耐性を持つ結晶の大量生産および認証に向けた重要な知見を提供している。

ABSTRACT

Kinetics of radiation damage of the PWO crystals under irradiation and recovery were studied. Crystals were irradiated with dose corresponding to average one expected in the electromagnetic calorimeter (working dose irradiation). Radiation damage and recovery were monitored through measurements of PWO optical transmission. An approach is proposed which allows evaluating the influence of the PWO crystals properties on the statistical term in the energy resolution of the electromagnetic calorimeter. The analysis also gives important information about the nature of the radiation damage mechanism in scintillation crystals. The method was used during development of technology of the mass production of radiation hard crystals and during development of methods for crystals certification

研究の動機と目的

• CMS電磁エネルガリメータ環境を模擬した条件下におけるPWO結晶の放射線損傷および回復のキネティクスを理解すること。
• 結晶の固有の性質がコリメータのエネルギー分解能における統計項に与える影響を評価すること。
• 放射線耐性PWO結晶の大量生産技術および認証手法の開発を支援すること。

提案手法

• CMS電磁エネルガリメータでの予想平均と一致する線量でPWO結晶を照射する。
• 定期的な光学透過率測定を通じて放射線損傷および回復をモニタリングする。
• 透過率データを用いて損傷および回復のキネティクスをモデル化し、主な欠陥生成および消滅プロセスを同定する。
• 導出された解析的フレームワークを通じて、光学透過率の変化をエネルギー分解能における統計項に関連付ける。
• 結晶の生産および放射線耐性に関する認証プロトコルの最適化にその知見を応用する。
• 大規模な結晶導入に向けた技術開発および品質管理の段階で、そのアプローチを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMS関連の照射条件下で、放射線損傷はPWO結晶の光学透過率にどのように影響するか？
• RQ2 照射中および照射後におけるPWO結晶の損傷生成および回復のキネティクス的挙動は何か？
• RQ3 結晶の固有の性質は、電磁エネルガリメータのエネルギー分解能における統計項にどのように影響するか？
• RQ4 放射線誘発欠陥生成は、時間経過に伴う結晶性能の制限要因として果たす役割は何か？
• RQ5 透過率測定は、大規模検出器応用におけるPWO結晶の放射線耐性の予測および認証にどのように利用できるか？

主な発見

• PWO結晶における放射線損傷は、照射下で非線形的かつ時間依存的な挙動を示すため、光学透過率の測定可能な低下を引き起こす。
• 照射終了後に光学透過率の回復が観察されたことから、熱的に駆動される欠陥消滅プロセスが存在することが示された。
• 結晶の品質と放射線誘発透過率損失の大きさとの強い相関が同定され、材料の均一性の重要性が強調された。
• エネルギー分解能における統計項は放射線損傷の影響を顕著に受けており、透過率損失が分解能性能に直接的な影響を及ぼすことが判明した。
• 提案された手法により、結晶の放射線耐性を定量的に評価可能となり、大量生産における標準化された認証および品質管理を支援できるようになった。
• 本研究の知見は、CMS検出器に使用されるPWO結晶の生産技術および認証プロトコルの洗練に不可欠な役割を果たした。