[논문 리뷰] Calibration prototype for the EUDET HCAL

J. Cvach, M. Janata외 5명|arXiv (Cornell University)|2011. 05. 25.

Radiation Detection and Scintillator Technologies참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 유럽 실험용 HCAL의 보정을 위한 컴act하고 컴퓨터 제어가 가능한 프로토타입을 제시한다. 4층 PCB에 구현된 6개의 조절 가능한 LED 펄스 드라이버가 3 ns의 광 펄스를 생성하며, 주입 강도는 0–1.2 A로 조절 가능하고 주파수는 최대 100 kHz까지 설정할 수 있다. 빛은 1 mm 직경의 광섬유를 통해 분배되며, 2 m 길이 동안 ±20% 이내의 균일성을 확보하여 색소실리콘 다이오드(스키닝 타일 내에 장착된 실리콘 광다이오드)의 정밀 보정이 가능하다.

ABSTRACT

The electronics producing a few nanoseconds long LED pulses tuneable in the amplitude and the optical system distributing the LED light to scintillators by a single optical fibre are described. The properties of the LED pulses are controlled by a computer connected via a CANbus to the controller on the board. We produced a prototype with 6 LED pulse drivers placed on a 4-layer PCB with dimension 250 x 147 mm2. The pulse width is constant and 3 ns long. Its amplitude can be tuned from zero to 1.2 A. The pulse frequency can be set in the range up to 100 kHz. The LED light is distributed by a 1 mm diameter optical fibre. On the length of 2 m the fibre has every 30 mm a notch which flashes light with homogeneity of \pm20%. The system is foreseen for calibration of silicon photomultipliers embedded in scintillation tiles.

연구 동기 및 목표

• EUDET HCAL의 실리콘 광다이오드를 위한 안정적이고 조절 가능한 광학적 보정 시스템을 개발하기 위해.
• 일관된 빛 주입을 위해 단일 모드 광섬유에 주기적인 노치를 적용하여 색소실리콘 타일에 균일한 빛을 공급하기 위해.
• 고속 입자 물리 실험에서 광검출기의 정밀하고 반복 가능한 보정을 가능하게 하기 위해.
• 내구성과 확장성을 확보하기 위해 컴팩트하고 다층 PCB에 통합된 시스템을 설계하기 위해.

제안 방법

• 고안된 6채널 LED 드라이버 시스템은 250 × 147 mm² 크기의 4층 인쇄 회로 기판(PCB)에 구현되어 고안정성과 컴팩트함을 확보하였다.
• 디지털 제어를 통해 고정된 3 ns 펄스 너비를 유지하면서도, 주입 강도를 0에서 1.2 A로 조절 가능하게 하였다.
• 주파수는 최대 100 kHz까지 설정 가능한 CANbus 인터페이스를 통해 호스트 컴퓨터와 연결하여 프로그래밍 가능하게 하였다.
• 광섬유의 광학적 빛은 1 mm 직경의 섬유에 주기적으로 30 mm 간격으로 노치를 가진 구조로 커플링되어 공간적 균일성을 확보하였다.
• 섬유의 빛 출력은 균일성 측정을 통해 2 m 길이 동안 ±20% 이내의 균일성을 확보하였다.
• 이 시스템은 색소실리콘 타일 내에서의 신호 응답을 시뮬레이션하여 실리콘 광다이오드의 보정을 가능하게 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 컴팩트하고 다중 채널의 LED 드라이버 시스템이 HCAL 보정에 적합한 안정적이고 나노초 수준의 광 펄스를 생성할 수 있는가?
• RQ2 주기적인 노치를 가진 2 m 길이의 광섬유에서 어떤 수준의 광강도 균일성을 달성할 수 있는가?
• RQ3 CANbus 인터페이스를 통해 LED 펄스의 강도와 주파수를 얼마나 효과적으로 제어할 수 있는가? 이는 보정의 반복성을 확보하는 데 기여하는가?
• RQ4 실제 조건에서 색소실리콘 타일 내에 내장된 실리콘 광다이오드를 신뢰성 있게 보정할 수 있는가?
• RQ5 펄스 너비, 강도 범위, 주파수 응답 측면에서 시스템의 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 프로토타입은 HCAL 보정에 필요한 시간 해상도를 충족시키는 3 ns 광 펄스를 성공적으로 생성하였으며, 강도는 0에서 1.2 A로 조절 가능하였다.
• 펄스 주파수는 최대 100 kHz까지 제어 가능하여 고주기 반복 보정 테스트를 수행할 수 있었다.
• 매 30 mm 간격으로 노치가 가공된 광섬유는 2 m 길이 동안 ±20% 이내의 균일성으로 빛을 공급하여 공간적 균일성을 확보하였다.
• CANbus 인터페이스를 통해 펄스 강도 및 주파수의 신뢰성 있는 컴퓨터 제어가 가능하였다.
• 시스템은 컴팩트한 4층 PCB에 구현되어 확장성과 통합 잠재력을 입증하였다.
• 전체 시스템은 색소실리콘 타일 기반 캘리브레이션 시스템에서 실리콘 광다이오드를 보정하는 데 적합함이 검증되었다.