[논문 리뷰] Electron beam studies of light collection in a scintillating counter with embedded fibers

M. Lauß, P. Achenbach외 29명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 15.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 15인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 MAMI에서 855-MeV 전자 비임의 전자 빔 실험을 통해 플라스틱 신티스케이터 카운터에 내장된 파장이동(영역) 섬유(WLS)를 사용한 빛 수확 효율성을 조사한다. 1.5-mm 지름의 WLS 섬유는 섬유가 없는 기준 카운터 대비 빛 수확을 94.2% 향상시키며, 이는 횡방향 거리 10 cm 이내에서 최대 성능을 보이며, 총 빛 수확을 직접 수확과 간접 수확 성분의 합으로 모델링한다.

ABSTRACT

The light collection of several fiber configurations embedded in a box-shaped plastic scintillating counter was studied by scanning with minimum ionizing electrons. The light was read out by silicon photomultipliers at both ends. The light yield produced by the 855-MeV beam of the Mainz Microtron showed a strong dependence on the transverse distance from the beam position to the fibers. The observations were modeled by attributing the collection of indirect light inside of the counter and of direct light reaching a fiber to the total light yield. The light collection with fibers was compared to that of a scintillating counter without fibers. These studies were carried out within the development of plastic scintillating detectors as an active veto system for the DarkMESA electron beam-dump experiment that will search for light dark matter particles in the MeV mass range.

연구 동기 및 목표

• 다크메사 전자 빔 덤프 실험에 사용하기 위한 상자형 플라스틱 신티스케이팅 카운터에서 빛 수확을 최적화하기 위해.
• 다양한 WLS 섬유 구성(지름, 형상, 군집화)이 빛 수확을 향상시키는 데 미치는 성능을 평가하기 위해.
• 섬유 위치에 대한 횡방향 거리에 따른 빛 수확의 의존성을 정량화하기 위해.
• 빔 상호작용 지점으로부터의 거리 함수로서 총 빛 수확을 직접 및 간접 빛 기여 성분으로 구분하여 모델링하기 위해.
• 메비 온스케일 암흑물질 탐지에 적합한 소형, 저비용, 고효율 활성 비오 시스템 설계를 위한 정보를 제공하기 위해.

제안 방법

• 50 × 25 × 2 cm³ 크기의 신티스케이팅 카운터를 EJ-200 플라스틱으로 제작하였으며, 전반사 효과를 극대화하기 위해 표면을 연마하였다.
• 다양한 WLS 섬유 구성(1-mm 원형, 1.5-mm 원형, 2-mm 정사각형, 4×1-mm 원형 군집)을 홈에 삽입하고 광학 시멘트로 밀봉하였다.
• 각 끝에서 4개의 6×6 mm² SiPM을 사용하여 빛를 읽어내었으며, 전용 프리앰프, 연산 증폭기 및 DAC를 통해 바이어스 전압 제어를 수행하였다.
• 에너지 투과를 시뮬레이션하기 위해 메인츠 마이크로트론(MAMI)에서 855-MeV 최소 이온화 전자 빔을 사용한 실험을 수행하였다.
• 기준 카운터(섬유 없음)를 사용하여 校정을 수행하였으며, 빛 수확을 MeV당 광전자(p.e.) 반응으로 측정하였다.
• 직접 빛이 섬유에 도달하는 것과 신티스케이터 내부에서 전반사에 의해 수집되는 간접 빛 기여 성분을 분리하기 위해 이중 성분 모델을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빔 상호작용 지점과 내장된 WLS 섬유 사이의 횡방향 거리가 신티스케이팅 카운터의 빛 수확에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 총 빛 수확에 기여하는 직접 빛(섬유 도달)과 간접 빛(내부 반사에 의한 수집)의 상대 기여 비율은 어떻게 되는가?
• RQ3 2cm 두께의 신티스케이터에서 빛 수확 효율을 최대화하는 데 가장 적합한 WLS 섬유 구성(지름, 형상, 군집화)은 무엇인가?
• RQ4 다양한 섬유 구성이 섬유가 없는 기준 카운터에 비해 빛 수확에 미치는 영향은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 상호작용 지점의 위치가 섬유 읽기 신티스케이터의 신호 반응에 미치는 영향은 어느 정도인가?

주요 결과

• 1.5-mm 지름의 원형 WLS 섬유는 섬유가 없는 기준 카운터 대비 빛 수확을 94.2% 향상시켰으며, 이는 직접 빛 기여 50.3%와 간접 빛 기여 43.9%로 구성된다.
• 빛 수확 효율 향상은 횡방향 거리에 매우 민감하며, 섬유로부터 ±10 cm 이내에서 최대 성능을 보이며, 상호작용이 섬유 근처에서 발생할 경우 최적의 성능을 발휘함을 시사한다.
• 1-mm 원형 섬유 구성은 기준 대비 뿐만 아니라 6.2%의 향상만을 보였고, 4×1-mm 군집은 49.9% 향상에 그쳤으며, 이는 더 작은 또는 군집된 섬유에서는 수익 감소 현상이 나타남을 보여준다.
• 총 빛 수확을 직접 및 간접 빛 기여 성분의 합으로 모델링한 결과, 데이터에 잘 맞았으며, 줄인 카이제곱 값은 1.2에서 3.1 사이였다.
• 신호 반응의 횡방향 위치 민감도는 균일성 문제를 야기하지만, 다중 SiPM 읽기와 조합할 경우 보다 향상된 위치 해상도를 달성할 수 있음을 시사한다.
• 결과는 메비 온스케일 암흑물질 실험의 비오 카운터에서 빛 수확 효율을 극대화하기 위해 WLS 섬유를 상호작용 영역에서 10 cm 이내에 배치하는 것이 바람직하다고 지지한다.