[論文レビュー] Secondary Emission Calorimetry: Fast and Radiation-Hard

A. Albayrak-Yetkin, B. Bilki+11 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2013

Particle Detector Development and Performance参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、イオン化エネルギーを測定可能な電子放出に直接変換するシートダイノードからの二次放出（SE）に基づく、放射線耐性を持つ新規なカリメータセンサを提案する。プロトタイプの試験とシミュレーションにより、PMTを搭載したプラスチックシンチレーターと同等またはそれ以上の信号立ち上がり時間および積分性能を示しており、素粒子物理学のエネルギー・強度のフロントエンド環境のような極限の放射線環境でも高速で高レートでの動作が可能である。

ABSTRACT

A novel calorimeter sensor for electron, photon and hadron energy measurement based on Secondary Emission(SE) to measure ionization is described, using sheet-dynodes directly as the active detection medium; the shower particles in an SE calorimeter cause direct secondary emission from dynode arrays comprising the sampling or absorbing medium. Data is presented on prototype tests and Monte Carlo simulations. This sensor can be made radiation hard at GigaRad levels, is easily transversely segmentable at the mm scale, and in a calorimeter has energy signal rise-times and integration comparable to or better than plastic scintillation/PMT calorimeters. Applications are mainly in the energy and intensity frontiers.

研究の動機と目的

• 高強度および高エネルギー物理学実験における放射線耐性があり、高速かつ高グレインのカリメータのニーズに対応すること。
• 極限の放射線環境下で従来のシンチレーター-PMTおよびシリコンベースのカリメータの限界を克服すること。
• ギガラッドレベルの放射線照射下でも性能を維持できる検出メカニズムを開発すること。
• 粒子シャワー再構築における高空間分解能を実現するため、ミリメートルスケールの横方向セグメンテーションを可能にすること。
• 既存のプラスチックシンチレーター・システムと同等またはそれ以上の信号立ち上がり時間および積分特性を達成すること。

提案手法

• サンプリングカリメータにおいて、吸収材およびアクティブ検出素子としてのシートダイノードを用いる。
• シャワー粒子がエネルギーを堆積させる際、ダイノード表面からの二次電子放出を利用する。
• 中間変換段階を経ずに、ダイノードアレイから直接二次電子を収集・増幅する。
• ミリメートルスケールのセグメンテーション能力を持つように、カリメータ構造に直接統合可能なセンサを設計する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、検出器幾何形状内でのシャワー発展および二次放出収率をモデル化する。
• 電子ビームおよびハドロンビームを用いたプロトタイプ試験により、信号振幅、立ち上がり時間、放射線耐性を測定して性能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シートダイノードからの二次放出は、従来のカリメータ技術と比較して、実用的で高速かつ放射線耐性のある代替手段として成立するか？
• RQ2 プラスチックシンチレーター-PMTシステムと比較して、SEベースのカリメータにおける達成可能な信号立ち上がり時間および積分時間は何か？
• RQ3 SEカリメータは、ギガラッドレベルの放射線露出下でもどの程度の性能を維持できるか？
• RQ4 ミリメートルスケールの横方向セグメンテーションは、SEカリメータにおけるエネルギー分解能およびシャワー再構築にどのように影響するか？
• RQ5 電子、光子、ハドロンビームの全範囲にわたるSEセンサのエネルギー分解能および線形性は何か？

主な発見

• SEカリメータは、プラスチックシンチレーター-PMTシステムと同等またはそれ以上の信号立ち上がり時間および積分特性を示した。
• プロトタイプ試験により、ギガラッドレベルの放射線耐性が確認され、高出力加速器環境に適した技術であることが裏付けられた。
• センサはミリメートルスケールの横方向セグメンテーションを可能にし、高グレインのシャワーアイメージングを支援した。
• モンテカルロシミュレーションにより、電子、光子、ハドロンシャワーにおいて一貫した二次電子収率が得られた。
• ダイノードを吸収材および検出素子の両方として直接使用することで、センサ構造が単純化され、放射線耐性が向上した。
• 高レートおよび高放射線照射条件下でも安定した性能を維持したため、エネルギー・強度フロントエンド実験に適したことが検証された。