[論文レビュー] The AMS-02 Time of Flight System. Final Design

V. Bindi, N. Carota+14 more|ArXiv.org|May 26, 2003

Advanced Frequency and Time Standards被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、国際宇宙ステーションのAMS-02宇宙線分光計用に開発された、4枚のスキャナ型シンチレーター検出器で構成されるAMS-02 Time of Flight (TOF) システムの最終設計を提示する。34本のカウンタに両端から144本のフォトマルチプライヤー管（PMT）が接続され、粒子の速度および電荷を測定する。主な結果として、57±1 psの時間分解能を達成し、50 psの要件を満たしており、ダイノード信号のBirkの法則へのフィッティングにより電荷同定が成功した。

ABSTRACT

The AMS-02 detector is a superconducting magnetic spectrometer that will operate on the International Space Station. The time of flight (TOF) system of AMS-02 is composed by four scintillator planes with 8, 8, 10, 8 counters each, read at both ends by a total of 144 phototubes. This paper describes the new design, the expected performances, and shows preliminary results of the ion beam test carried on at CERN on October 2002.

研究の動機と目的

• 国際宇宙ステーションに搭載されるAMS-02宇宙線分光計用に、高精度なタイム・オブ・フライト（TOF）システムを開発すること。
• 宇宙線中の物質と反物質を区別するための粒子速度および電荷測定を可能にすること。
• 外側のカウンタを台形形状とすることでシステム質量を低減しながらも、性能を維持すること。
• 曲げられた光ガイドとR5946 PMTを用いて、強い磁場および打ち上げ時の振動に耐える堅牢な運用を確保すること。
• 正確な粒子同定を可能にするために、50 ps未満の時間分解能を達成すること。

提案手法

• TOFシステムは、8、8、10、8本のカウンタを有する4つの直交するシンチレーター平面を有し、ポリビニルトルエン（C1）およびBC408（C2）のシンチレーターを1 cm 厚さで使用する。
• 各カウンタは、曲げられた透明な光ガイドと柔ららかな透明パッドを用いて、光学的および機械的結合を実現する独立したフォトマルチプライヤー管（PMT）で両端から読み取られる。
• 残留磁場が強い環境下で動作可能なHamamatsu R5946 PMTが選定された。
• 時間飛行測定により粒子の速度β = v/c を計算し、エネルギー損失を用いてトリガーフラグを介して電荷を推定する。
• ダイノード信号にBirkの法則を適用する：Q = (p₁Z²)/(1 + p₂Z² + p₃Z⁴)（QはADC電荷からピードバック（p₄）を差し引いたもの）により、原子番号Zを推定する。
• CERNでのイオンビーム試験では、ベリリウム標的にPbビームを照射し、Z = 1から82の二次粒子を生成することで、全電荷範囲でのキャリブレーションが可能となった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AMS-02 TOFシステムは、運用条件下で50 ps未満の時間分解能を達成できるか？
• RQ2 TOFカウンタのダイノード信号からBirkの法則を用いて、粒子電荷Zをどの程度正確に再構成できるか？
• RQ3 台形形状の外側カウンタの使用は、タイミングおよび電荷分解能を劣化させることなく質量を低減できるか？
• RQ4 時間飛行測定とトリガーロジックを用いて、上向きおよび下向きの粒子を信頼性高く区別できるか？
• RQ5 全イオン種（Z = 1から82）にわたる広範囲で、TOFシステムは速度および電荷測定においてどの程度の性能を示すか？

主な発見

• 標準的なCERN電子回路を用いて、TOFシステムは57±1 psの時間分解能を達成した。これはAMS-02フロントエンドボードの許容最大値50 ps以内に収まった。
• 粒子電荷が高くなるほど光統計が向上するため、時間分解能が向上するが、最終的には電子ノイズによって制限される。
• ダイノード信号へのBirkの法則のフィッティングにより、水素から鉛（Z = 1から82）までの全範囲で粒子電荷Zの再構成に成功した。
• アノードおよびダイノード信号の両方で電荷ピークが明確に分離され、ダイノード信号の最初のピークはヘリウム（He）に対応した。
• 左側と右側のPMT間のゲイン比は3:2であった。また、打ち上げおよび着陸シミュレーション中にも損傷を受けることなく、安定した信号伝送が確認された。
• 曲げられた光ガイドとR5946 PMTを含むTOFシステムの設計は、振動および磁場環境下でも堅牢であることが実証された。