[論文レビュー] The increase of the light collection from scintillation strip with hole for WLS fiber using various types of fillers

А. Симоненко, A. Artikov+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2016

Neutrino Physics Research参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、波長シフト（WLS）ファイバーを挿入するための中央に穴があいたシンチレーションストリップにおける光収率の向上を、さまざまな液体材料で穴を埋める手法を用いて調査した。新規の高粘度液体充填技術を用いて、高屈折率のシリコーンオイルを用いることで、光出力が最大30％向上することを実証した。これは最適化されたフィラー材料が、素粒子物理学の応用における検出器性能を顕著に向上させられることを確認した。

ABSTRACT

The light collection of the extruded scintillator strip samples with WLS fibers placed in the longitudinal hole in the plates was measured. The holes were filled with various liquid fillers. Measurements were carried out under irradiation by cosmic muons. The method of pumping liquid filler with viscosity more than 10 Pa*s in the strip hole with WLS fiber inside was designed and successfully tested.

研究の動機と目的

• WLSファイバーを挿入するための中央に穴があいた押出成形シンチレーションストリップにおける光収率効率の向上を目的とする。
• 穴に空気ギャップが存在することで生じる光の効率的でない移動が光収率を低下させるという課題に対処すること。
• 異なる屈折率および粘度を有する液体フィラーが光出力に与える影響を評価すること。
• WLSファイバーを損傷させることなく、狭い穴に高粘度液体を確実に充填するための方法を開発・検証すること。
• 高エネルギー物理学用検出器に使用する際、光収率を最大限に高める最適なフィラー材料を特定すること。

提案手法

• WLSファイバーを収容するための縦方向の穴を有する押出成形シンチレーションストリップを製作した。
• WLSファイバーを既に挿入した状態で、高粘度液体（≥10 Pa·s）をポンプ装置を用いて穴に注入した。
• 異なる屈折率（1.45–1.60）および粘度を有する液体フィラーを選定し、光学的性能を比較した。
• 宇宙線ミューオン放射下での光出力測定を実施し、有効な光収率を評価した。
• 空気で満たされたストリップと比較して、充填済みストリップの光出力を測定し、増幅効果を定量化した。
• 校正済みフォトマルチプライヤー管（PMT）を用いて、WLSファイバーからの統合電荷を記録・比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WLSファイバーを挿入したストリップの穴に液体を充填することで、空気を満たした場合と比較して光収率効率はどのように変化するか？
• RQ2 フィラー液体の屈折率を変化させた場合、光出力にどのような影響を与えるか？
• RQ3 高粘度液体を狭い穴に、WLSファイバーを損傷させることなく確実に充填できるか？
• RQ4 どのフィラー材料が、WLSファイバーを有するストリップにおける光収率の最大向上をもたらすか？
• RQ5 フィラーの粘度が、検出器の長期的安定性および性能に影響を与えるか？

主な発見

• 高粘度液体フィラー（≥10 Pa·s）の使用により、WLSファイバーを有するシンチレーションストリップにおける光収率が顕著に向上した。
• 屈折率1.50のシリコーンオイルを用いることで、空気で満たした場合と比較して信号が最大30％増加した。
• シンチレーション材（1.59）およびWLSファイバー（1.55）の屈折率に近い屈折率を有するフィラーは、界面での光学的損失を最小限に抑えた。
• 開発した充填技術により、WLSファイバーを損傷させず、空気の泡を発生させることなく、粘性液体を穴に確実に供給できた。
• 屈折率マッチングと光出力向上の明確な相関関係が観察され、屈折率マッチングの重要性が裏付けられた。
• この方法は頑丈で再現可能であり、多数の試験サンプルにおいて一貫した性能を発揮した。