[論文レビュー] Tetraphenyl Butadiene Emanation and Bulk Fluorescence from Wavelength Shifting Coatings in Liquid Argon

J. Asaadi, B. J. P. Jones+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 25被引用数 12

ひとこと要約

本研究は液体アルゴン中のテトラフェニルブタジエン（TPB）被膜の安定性を調査し、TPBが特定の被膜から放出され、その中で波長シフト蛍光が測定可能になることを示している。24時間の間、検出可能なレベルのTPB（質量比で数十ppb）がアルゴン中に溶解または懸濁され、その蛍光効率は維持され、将来的な液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバー（LArTPC）におけるバルク光検出を可能にする可能性がある。

ABSTRACT

We study the stability of three types of popularly employed TPB coatings under immersion in liquid argon. TPB emanation from each coating is quantified by fluorescence assay of molecular sieve filter material after a prolonged soak time. Two of the coatings are shown to emanate a detectable concentration of TPB into argon over a 24 hour period, which corresponds to tens of parts per billion in argon by mass. In an independent setup, the dissolved or suspended TPB is shown to produce a wavelength shifting effect in the argon bulk. Interpretations of these results and implications for present and future liquid argon time projection chamber experiments are discussed.

研究の動機と目的

• 液体アルゴン時間投影チェンバー（LArTPC）実験で一般的に用いられるTPB被膜の長期的安定性を評価すること。
• TPBが被膜表面から剥がれ、液体アルゴン中に溶解または懸濁された種として進入するかどうかを特定すること。
• 長時間の液体アルゴンへの浸漬け条件下での、異なる被膜タイプからのTPB放出の程度を定量すること。
• 特に励起時に可視光を発する能力を含め、TPBのアルゴンバルク内での光学的性質を評価すること。
• TPBのバルクへの放出が、検出器性能に与える影響および将来的なLArTPC設計への応用可能性を検討すること。

提案手法

• 液体アルゴンに48時間まで浸漬けた3種類のTPB被膜試料（蒸発法で形成した金属箔、TPB＋ポリスチレンを用いた塗布被膜、高表面品質のライトガイド被膜）を用いた。
• 分子ふるいフィルターを用いて、長時間浸漬けた後の液体アルゴンから放出されたTPBを捕集・定量した。
• フィルターに捕集されたTPBの量を蛍光アッセイで測定し、被膜表面積および露出時間で正規化した。
• 255 nmのLEDを励起源として用い、フォトマルチプライヤー管を用いてTPBドーピングアルゴンのバルク蛍光を測定した。
• 波長シフト光の減衰特性を調査するためにパルスタイミング解析を実施した。
• 被膜タイプごとのTPB損失を比較することで、相対的な安定性および溶解・懸濁への感受性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LArTPCで用いられるTPB被膜は、長時間液体アルゴンに浸漬けられた場合でも安定しているか？
• RQ2 TPBは被膜表面からどの程度剥がれ、液体アルゴン中に溶解または懸濁された種として進入するか？
• RQ3 バルクアルゴン中のTPBは、波長シフト蛍光効率を維持できるか？
• RQ4 バルクアルゴン中のTPBの蛍光強度は、直接励起された表面被膜と比べてどの程度か？
• RQ5 TPBのバルクへの放出は、LArTPC実験の長期的性能および設計にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 一部の被膜からTPBが液体アルゴン中に放出され、試験した3種類の被膜のうち2種類で24時間以内に検出可能な損失が観測された。これはアルゴン中に質量比で数十ppbのTPBが存在することを示している。
• 分子ふるいフィルターは、放出されたTPBを効果的に捕集し、液体相に存在することを確認するとともに、放出速度の定量が可能になった。
• TPBドーピングアルゴンのバルクは測定可能な蛍光を示し、255 nmの励起で48時間経過後に429.2 ± 22.3カウントの発光が観測された。これは直接励起された被膜の約半分の強度に相当する。
• 初期のパルスタイミング解析から、ミリ秒スケールの長い時間定数が観測され、希薄なTPB溶液ではリンパチックな挙動が示唆された。これは高密度の表面膜とは異なる挙動である。
• 結果から、バルクに存在するTPBは、固体表面から分離しても依然として効果的な波長シフト剤として機能し、蛍光効率を維持できることを示している。
• 本研究は、将来的なLArTPC設計において、溶解または懸濁されたTPBをチューナブルでインヒンセントな光源として利用する可能性を示しているが、剥離のメカニズム（溶解か懸濁か）は未解決のままである。