[論文レビュー] Tests of a High Resolution Time of Flight System Based on Long and Narrow Scintillator

E. Chen, M. Saulnier+2 more|ArXiv.org|Jun 16, 1996

Advanced Frequency and Time Standards被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、2.5×2.5×200 cmの長く細いシンチレーター・ブロックをフォトマイコンと結合させることで、100 ps未塔の時間分解能を達成する高分解能時間飛行（TOF）システムを提案する。アムペレックス XP2020/URおよびホーマツ R2021フォトマイコンを用いた実験で、それぞれ71 psおよび81 psの時間分解能を達成した。バルクシンチレーターは内部反射率が優れているため、発光繊維ブロックよりも優れた性能を示した。

ABSTRACT

We have tested a prototype time-of-flight system based on bulk scintillator block of dimensions $2.5 imes 2.5 imes 200$ cm. Using a calibration scheme similar to the one used in actual collider experiments, we have achieved a resolution of 71 ps using Amperex XP2020/UR photomultipliers and 81 ps using proximity-focusing fine-mesh photomultipliers (Hamamatsu R2021). Results are also obtained for scintillating fiber blocks of the same dimensions. Good internal reflectivity of the bulk scintillator block resulted in resolutions superior to the fibre blocks. A single-photon pulsed laser system was used to study photomultipliers and the results were used in a Monte Carlo simulation of the system to study the critical elements that determine the resolution.

研究の動機と目的

• 粒子物理学への応用を想定した高分解能時間飛行（TOF）システムの開発と評価。
• 長く細い幾何形状におけるバルクシンチレーター・ブロックと発光繊維ブロックの時間性能を評価すること。
• 標準型（アムペレックス XP2020/UR）と近接焦点型細密メッシュ型（ホーマツ R2021）フォトマイコンの2種類を用いた時間分解能の比較。
• レーザー補正とモンテカルロシミュレーションを通じて、時間分解能に影響を与える主要なシステム部品を同定すること。
• 正確なフォトマイコン特性評価のため、単一光子パルスレーザーを用いてシステムの性能を検証すること。

提案手法

• 2.5×2.5×200 cmのバルクシンチレーター・ブロックを用いたTOFシステムのプロトタイプを構築した。
• シンチレーター・ブロックの両端にフォトマイコン（アムペレックス XP2020/URおよびホーマツ R2021）を結合させ、発光光を検出する。
• フォトマイコンの応答および時間分解能を補正・特性評価するために、単一光子パルスレーザー系を用いた。
• 実際の衝突実験で用いられる補正方式に類似した手法を用いて、時間分解能を測定した。
• レーザーのデータを基にモンテカルロシミュレーションを実施し、時間分解能に寄与する主要部品の寄与をモデル化・分析した。
• 同じ寸法を有するバルクシンチレーター・ブロックと発光繊維ブロックの性能を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準型および細密メッシュ型フォトマイコンを用いた長く細いシンチレーター・ブロック系で、どの程度の時間分解能が達成可能か？
• RQ2 同じ寸法を有するバルクシンチレーター・ブロックと発光繊維ブロックの時間分解能は、どのように比較されるか？
• RQ3 レーザー補正とシミュレーションによって明らかになった、このシステムの時間分解能を制限する主な要因は何か？
• RQ4 フォトマイコンの特性（移動時間スプレッド、アフターパルス効果など）は、システム性能にどのように影響を与えるか？
• RQ5 シンチレーター・ブロックの内部反射率は、全体の時間分解能にどの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• アムペレックス XP2020/URフォトマイコンを用いた場合、71 psの時間分解能を達成した。
• 近接焦点型細密メッシュフォトマイコン（ホーマツ R2021）を用いた場合、81 psの時間分解能を達成した。
• バルクシンチレーター・ブロックは内部反射率が優れているため、発光繊維ブロックよりも優れた時間分解能を示した。
• レーザー補正により、フォトマイコンの移動時間スプレッドおよびアフターパルス特性が、分解能を制限する主な要因であることが判明した。
• レーザーのデータに基づくモンテカルロシミュレーションは、測定された時間分解能を正確に再現でき、性能を制限する主要な部品を特定するのを支援した。
• 本結果は、高エネルギー物理学実験における高分解能TOFシステムに、高性能フォトマイコンと長く細いシンチレーター・ブロックを組み合わせて用いることが実現可能であることを裏付けた。