[論文レビュー] Study of silicon photomultipliers for the readout of scintillator crystals in the proposed GRIPS \gamma-ray astronomy mission

Alexei Ulyanov, L. Hanlon+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2013

Particle Detector Development and Performance参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、提案中のGRIPSガンマ線宇宙望遠鏡ミッションにおけるシンチレーター結晶の読み出しソリューションとして、高利得、コンactサイズ、低電圧駆動を特徴とするシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）の有効性を評価している。Geant4を用いたシミュレーションにより、SiPMは約30 MeVまで線形エネルギー応答を示し、理想の線形性からの偏差が1%未満、1 MeVにおけるエネルギー分解能が3.5% FWHMに達することを示した。これにより、天体物理学的調査に向けた高精度なカリオメトリが可能となる。

ABSTRACT

Among the top priorities for high-energy astronomy in the coming decade are sensitive surveys in the hard X-ray/soft \gamma-ray (10-600 keV) and medium-energy \gamma-ray (0.2-80 MeV) bands. Historically, observations in the soft and medium energy \gamma-ray bands have been conducted using detectors based on inorganic scintillators read out by photo-multiplier tubes (PMTs). These observations were limited by the modest energy and time resolution of traditional scintillator materials (e.g. NaI and CsI), and by the demands on mission resources imposed by the bulky, fragile, high-voltage PMTs. Recent technological advances in the development of both new scintillator materials (e.g. LaBr3:Ce, L(Y)SO) and new scintillation light readout devices (e.g. Silicon Photo-Multipliers) promise to greatly improve the observational capabilities of future scintillator-based \gamma--ray telescopes, while retaining the relative simplicity, reliability, large collection volumes, and low-cost of scintillator instruments. We present initial results of a study on the use of silicon photomultipliers in the calorimeter module design of the proposed GRIPS astrophysics mission.

研究の動機と目的

• GRIPSカリオメータにおいて、高電圧を要し、大型かつ壊れやすい従来のフォトマルチプライヤー（PMT）の代替としてシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）を用いる可能性を検討すること。
• GRIPSミッションに適したカリオメータモジュールの設計最適化を目的とし、光収率と信号の線形性に焦点を当てる。
• LaBr3結晶内のシンチレーション光輸送の現実的な条件下におけるSiPMのエネルギー分解能と応答線形性を評価すること。
• 200 keV～80 MeVのエネルギー範囲で、5%未満のFWHMエネルギー分解能と高い検出効率を達成することで、全天空サーベイの感度を高めること。

提案手法

• Geant4ツールキットを用いて、64ピクセルのSiPMアレイと8×8のLaBr3結晶アレイを結合した系における光輸送をシミュレーションし、現実的な光学的特性を反映した。
• 光子検出効率（PDE）、クロスタッチ、アフターパルス、ゲインのフラクチュエーションを含む物理ベースのモデルを用いてSiPM応答をモデル化した。
• 高光子数における非線形性を補正するため、原始出力のピクセル平均電荷で正規化し、非線形性補正アルゴリズムを適用した。
• 結晶アレイ内の異なる位置からの発光をシミュレートし、SiPMピクセル間での光分布を分析することで、光収率を評価した。
• 統計的フラクチュエーションを表すポisson分布を用い、エネルギー分解能計算に組み込みた。
• 厚さ5 mmの光学窓および反射面（気密シールと拡散反射材を含む）に起因する光学クロステークの影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SiPMは、GRIPSが求める200 keV～80 MeVのエネルギー範囲で、高精度なガンマ線分光に必要な十分な線形性とエネルギー分解能を提供できるか？
• RQ2 厚い窓と反射面に起因する光学クロステークは、密にセグメンテーションされたカリオメータにおいて、位置分解能と信号忠実度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 SiPM応答の非線形性は、30 MeVまでの全ダイナミックレンジにわたり、どれほど補正可能であり、正確なエネルギー測定を維持できるか？
• RQ4 統計的フラクチュエーションと検出器の非理想性を考慮した場合、SiPMベースのカリオメータモジュールで達成可能なエネルギー分解能はどの程度か？
• RQ5 最小限のデッドゾーンと最適な光学結合を実現するタイル状SiPMアレイを用いた場合、LaBr3結晶からの光収率はどの程度向上できるか？

主な発見

• SiPM応答は、約70,000個のトリガーフォトン（LaBr3結晶内でのエネルギー損失量は約30 MeVに相当）まで、理想応答との偏差が0.5%未満にまで線形化された。
• 補正済みエネルギー分解能（FWHM/平均）は1 MeVで3.5%に達し、FWHMが平均に対して0.035に相当することから、優れた分光性能が示された。
• 1 MeVでは、1つのSiPMが約2,400個のトリガーフォトンを受信した（PDEを20%と仮定）。これは高分解能エネルギー測定に十分な量である。
• 中央の結晶からの光収率は最高であり、対応するSiPMピクセルでは17%の光が収率されたが、中央の3×3ピクセルアレイでは47%の光が収率された。これはクロステークの有効活用を示している。
• 光学クロステークが顕著であっても、低エネルギー域においても発光結晶の位置がSiPMアレイ全体の明確な光分布パターンにより識別可能であった。
• シミュレーション結果は、SiPMをPMTの代替として使用可能であり、GRIPSミッションの厳しい要件を満たす小型で頑丈かつ高性能なカリオメータ設計を可能にする。