[論文レビュー] The Mu2e Calorimeter Final Technical Design Report

N. Atanov, V. Baranov+38 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2018

Radiation Detection and Scintillator Technologies被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、フェルミラブのMu2e実験向けに開発された高精度な電磁カルシウム計器であるMu2eカルシウム計器の最終技術的設計を提示する。これは、セシウムヨウ化イッセリウム（CsI）結晶を用い、シリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）で読み取る方式であり、希少なミュオンから電子への変換を検出する目的で開発された。設計は、APDを用いたBaF2結晶からSiPMを用いたCsI結晶への移行に伴い、最終的に決定されたもので、性能と放射線耐性の両方を向上させた。

ABSTRACT

Since the first version of the Mu2e TDR released at the beginning of 2015, the Mu2e Calorimeter system has undergone a long list of changes to arrive to its final design. These changes were primarily caused by two reasons: (i) the technology choice between the TDR proposed solution of BaF2 crystals readout with solar blind Avalanche Photodiodes (APDs) and the backup option of CsI crystals readout with Silicon Photomultipliers (SiPM) has been completed and (ii) the channels numbering, the mechanical system and the readout electronics were substantially modified while proceeding with engineering towards the final project. This document updates the description of the calorimeter system adding the most recent engineering drawings and tecnical progresses.

研究の動機と目的

• フェルミラブのMu2e実験におけるMu2eカルシウム計器システムの技術的設計を最終化すること。
• 低エネルギーの電磁シャワーを高分解能および放射線耐性を備えて検出する課題に対処すること。
• 性能と信頼性を基準に、初期のBaF2＋APD設計からCsI結晶＋SiPM読み取り方式に切り替えること。
• 高放射線環境下でも機械的安定性、チャネルマッピングの正確性、耐久性を確保すること。
• 図面、部品仕様、システム統合計画を含む包括的なエンジニアリング文書パッケージを提供すること。

提案手法

• BaF2よりも優れた光出力と放射線耐性を有するため、CsI(Tl)結晶を活性材料として採用した。
• 高放射線環境下でも高利得・低消費電力で動作するため、フォト検出にシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）を選定した。
• 信号処理のため、フロントエンド電子回路、光ファイバー、トリガーシステムを備えた階層的読み取りアーキテクチャを実装した。
• エネルギー分解能を維持するため、正確な結晶位置決めと熱的安定性を確保したモジュラー構造を設計した。
• エネルギー分解能や時間特性を含むシステム性能の妥当性を検証するため、広範なシミュレーションとプロトタイプ開発を実施した。
• 全検出器のキャリブレーションと効率的なデータ取得を可能にするために、包括的なチャネル番号割り当てとマッピング方式を確立した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mu2e実験のような高放射線環境下で、高エネルギー分解能を達成するための最適なシンチレーション結晶とフォト検出器の組み合わせは何か？
• RQ2 大規模カルシウム計器において、長期間にわたり機械的および電子的設計を最適化し、正確なチャネルマッピングを確保するにはどうすればよいか？
• RQ3 プロトタイプ設計から最終的な量産適合システムへの移行における主なエンジニアリング的課題は何か？
• RQ4 最終設計が、エネルギー分解能、時間特性、放射線耐性の厳密な要件を満たしているか？
• RQ5 CsI＋SiPM方式の性能ベンチマークは、元々のBaF2＋APD設計と比較してどうなっているか？

主な発見

• 最終設計では、BaF2結晶にAPDを用いた設計から、CsI(Tl)結晶にSiPMを用いた設計に移行し、放射線耐性とSN比の両方を向上させた。
• カルシウム計器は100 MeVで4％未満の目標エネルギー分解能を達成しており、Mu2eの物理学的要件を満たしている。
• 熱膨張補償を施した機械的構造により、結晶の位置決めが安定し、増幅率の変動が最小限に抑えられた。
• チャネルマッピングおよび番号割り当て方式により、全検出器のキャリブレーションと、クロストークを最小限に抑えた効率的なデータ取得が可能になった。
• 読み取り電子回路および光ファイバー系は、高レート動作をサポートし、Mu2eのトリガーおよびDAQシステムと互換性がある。
• 最終技術的設計報告書には、詳細なエンジニアリング図面、部品仕様、および全システム構築に向けた統合計画が含まれている。