[논문 리뷰] A Design of Scintillator Tiles Read Out by Surface-Mounted SiPMs for a Future Hadron Calorimeter

Yong Liu, V. Büscher외 8명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 18.

Radiation Detection and Scintillator Technologies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 향후 정밀 물리 실험을 위한 대량 자동 생산이 가능한 고해상도 하드론 캘로리미터를 구현하기 위해, 도마뱀 모양의 공동에 표면 실장된 SiPM(SMD-SiPM)을 내장한 스컬라이터 타일을 사용한 혁신적인 설계를 제시한다. 최적화된 공동은 단일 MIP 응답을 23.2 p.e.로 유지하면서 타일 면적의 97.1%가 10% 이내의 응답 균일성 범위에 들어가도록 하여 빛 수집 효율과 공간 균일성을 최적화한다.

ABSTRACT

Precision calorimetry using highly granular sampling calorimeters is being developed based on the particle flow concept within the CALICE collaboration. One design option of a hadron calorimeter is based on silicon photomultipliers (SiPMs) to detect photons generated in plastic scintillator tiles. Driven by the need of automated mass assembly of around ten million channels stringently required by the high granularity, we developed a design of scintillator tiles directly coupled with surface-mounted SiPMs. A cavity is created in the center of the bottom surface of each tile to provide enough room for the whole SiPM package and to improve collection of the light produced by incident particles penetrating the tile at different positions. The cavity design has been optimized using a GEANT4-based full simulation model to achieve a high response to a Minimum Ionizing Particles (MIP) and also good spatial uniformity. The single-MIP response for scintillator tiles with an optimized cavity design has been measured using cosmic rays, which shows that a SiPM with a sensitive area of only $\mathbf{1 imes1~mm^2}$ (Hamamatsu MPPC S12571-025P) reaches a mean response of more than 23 photon equivalents with a dynamic range of many tens of MIPs. A recent uniformity measurement for the same tile design is performed by scanning the tile area using focused electrons from a $\mathbf{^{90}Sr}$ source, which shows that around 97% (80%) of the tile area is within 90% (95%) response uniformity. This optimized design is well beyond the requirements for a precision hadron calorimeter.

연구 동기 및 목표

• 약 1,000만 개의 채널을 갖는 미래 하드론 캘로리미터를 위한 확장 가능하고 자동화된 독자 솔루션을 개발하기 위해.
• 직접 SiPM을 스컬라이터 타일에 부착할 경우 발생하는 낮은 공간 균일성 문제를 해결하기 위해.
• 타일의 하부 표면에 공동 설계를 통해 빛 수집 효율과 응답 균일성을 최적화하기 위해.
• 표면 실장된 SiPM을 사용하여 자동 SMT 조립과 호환되는 방식으로 캘로리미터의 대량 생산을 가능하게 하기 위해.
• 우주선 측정과 90Sr 원천을 이용한 균일성 스캔을 통해 설계를 검증하기 위해.

제안 방법

• 30×30×3 mm³ 크기의 스컬라이터 타일에 도마뱀 모양의 공동을 최적화하기 위해 GEANT4 기반의 전체 시뮬레이션 모델을 개발하였다.
• 시뮬레이션에는 산란, 광자 전송, 광학 경계 상호작용을 포함한 세부 물리 과정이 포함되었으며, BC408 스컬라이터와 3M 반사 필름의 파장 의존성 PDE 및 반사율 데이터를 사용하였다.
• 공동은 하마마츠 MPPC S12571-025P SMD-SiPM(1×1 mm²)을 완전히 둘러싸도록 설계되어 빛 수집을 극대화하고 기계적 안정성을 확보하였다.
• SiPM 패ckaging 공간과 균일한 응답 간의 균형을 고려하여 도마뱀 모양, 연마된 표면, 최적화된 치수(높이 및 지름)를 선택하였다.
• 공동 내에 SMD-SiPM를 장착한 상태에서 우주선 측정을 수행하여 단일 MIP 응답을 평가하였다.
• 고에너지 전자를 선택하기 위해 별도의 스컬라이터에서 발생하는 트리거 신호를 사용하여, 0.5×0.5 mm² 간격으로 90Sr 베타 원천을 타일 표면에 스캔하여 공간 응답 균일성을 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스컬라이터 타일에 공동 설계를 도입함으로써 SMD-SiPM 독자 응답의 공간 균일성을 향상시키면서도 고도의 빛 수집 효율을 유지할 수 있는가?
• RQ2 1×1 mm² SMD-SiPM에 대해 단일 MIP 응답과 균일성을 극대화하는 데 최적화된 공동 기하학적 형상과 표면 처리 방식은 무엇인가?
• RQ3 최적화된 설계는 약 1,000만 개의 채널을 갖는 고해상도 하드론 캘로리미터의 대량 자동 생산을 지원할 수 있는가?
• RQ4 공동 설계의 응답 균일성은 전체 GEANT4 시뮬레이션으로부터 이론적으로 예측된 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 선택된 SiPM 기반 시스템에서 감지 가능한 MIP 수의 동적 범위는 얼마인가?

주요 결과

• 최적화된 도마뱀 모양의 공동은 하마마츠 MPPC S12571-025P SMD-SiPM에 대해 평균 단일 MIP 응답 23.2 photon equivalent(p.e.)을 달성한다.
• 응답 균일성 측정 결과, 타일 면적의 97.1%가 평균 응답 20.6 p.e.에서 10% 이내의 편차를 보이며, 이 중 80.8%는 5% 이내에 포함된다.
• 높은 단일 MIP 응답과 SMD-SiPM 픽셀 수(1600)를 고려할 때, 이 설계는 다수의 MIP를 감지할 수 있는 충분한 동적 범위를 제공한다.
• 측정된 균일성은 GEANT4 시뮬레이션 결과와 일치하여, 시뮬레이션 모델이 빛 수집 및 응답 분포 예측에 있어 신뢰할 수 있는 능력을 지닌다는 것을 검증한다.
• 공동 설계 덕분에 SiPM가 타일 내부에 완전히 봉입되어 표준화된 자동 표면 실장 solderring이 독자 PCB에 적용 가능하다.
• 최근 개발된 저교차 캐리지 SiPM 프로토타입을 사용한 초도 결과는 어둠의 카운트 레이트가 33 kHz(기존 모듈 대비 100 kHz)로 나타나 성능 향상 잠재력이 높음을 시사한다.