[논문 리뷰] Four-gap glass RPC as a candidate to a large area thin time-of-flight detector

V. V. Ammosov, В. А. Гапиенко외 5명|ArXiv.org|2002. 04. 17.

Particle Detector Development and Performance인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 0.3 mm 가스 간극을 가진 네 간극 유리 저항성 플레인 침실(RPC)을 사용하여 입자 물리학용으로 얇고 고시간 해상도를 가진 시간 도래(ToF) 검출기로 제안한다. 7 GeV/c 페이온 비드를 이용한 시험에서, 90 cm 길이의 스트립 독출 방식으로 약 100 ps의 시간 해상도를 달성하였으며, 총 검출기 두께는 약 12 mm로, HARP 실험과 같은 실험에서 대면적, 얇은 ToF 시스템에 적합하다.

ABSTRACT

A four-gap glass RPC with 0.3mm gap size was tested with hadron beam as a time-of-flight detector having a time resolution of ~ 100ps. A thickness of the detector together with front-end electronics is ~ 12mm. Results on time resolution dependently on a pad size are presented. This paper contains first result on the timing RPC (with ~ 100ps resolution) having a strip read-out. Study has been done within the HARP experiment (CERN-PS214) R&D work. A obtaned data can be useful if a design of a large area thin timing detector has to be done.

연구 동기 및 목표

• HARP 실험을 위한 두께 14 mm 이하인 얇고 대면적의 시간 도래(ToF) 검출기를 개발한다.
• 0.3 mm 간극을 가진 네 간극 유리 RPC를 사용하여 고시간 해상도(~100 ps)를 달성한다.
• 패드 크기 의존성과 향상된 확장성 확보를 위한 스트립 독출 방식을 탐구한다.
• 신호 합성 전자 회로와 전극 기하 구조 최적화를 통해 독출 채널 수를 최소화한다.
• 고저항성 유리 RPC를 사용한 얇고 고성능의 ToF 시스템의 실현 가능성을 입증한다.

제안 방법

• 어항줄기로 만든 0.3 mm 두께의 스퍼터링을 사용하여 0.6 mm 및 1 mm 두께의 유리 판을 사용해 네 간극 유리 RPC를 제작하였다.
• 아케이드 모드에서 안정적인 작동을 위해 테트라플루오로에틸렌 기반 가스 혼합물(C2H2F4/C4H10/SF6, 90/5/5)을 사용하였다.
• 1 GHz 대역폭을 가진 4입력 프리앰프와 50 ps 분할 폭을 가진 TDC를 사용하여 시간 측정을 수행하였으며, 채널 수를 줄이기 위해 신호 합성을 적용하였다.
• 패드 및 스트립 독출 구성 방식을 시험하였으며, 스트립 신호는 양끝에서 측정하여 시간 평균을 통해 해상도를 향상시켰다.
• CERN의 T10 시험 구역에서 7 GeV/c 페이온 비드를 사용하였으며, 비드 트리거 및 시간 기준(30 ps 정밀도)을 위해 스컬린레이터 허도스코프를 사용하였다.
• ADC 데이터를 활용해 시간-전하 슬루잉 보정을 적용하여 신호 전파 속도의 진폭 의존성 영향을 보정함으로써 시간 해상도를 향상시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 0.3 mm 간극을 가진 네 간극 유리 RPC의 시간 해상도는 패드 크기의 함수로서 어떻게 변하는가? 그리고 신호 전극 면적에 따라 어떻게 스케일링되는가?
• RQ2 장거리(최대 90 cm)에 걸쳐 스트립 독출 방식이 얇은 RPC 시스템에서 120 ps 이하의 시간 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ3 입자 빔 빈도가 고저항성 유리 RPC에서 시간 해상도와 검출 효율성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 신호 합성 전자 회로를 통해 독출 채널 수를 줄일 수 있는가, 이로 인해 시간 해상도가 떨어지지 않는가?
• RQ5 프론트엔드 전자 회로의 내재된 시간 해상도는 얼마이며, 전체 시스템 성능에 기여하는 정도는 어떠한가?

주요 결과

• 8입력 신호 합성 앰프를 사용할 경우, 네 간극 유리 RPC의 시간 해상도는 패드 면적에 대해 선형적 의존성을 보이며, σt = 0.71 + 0.13×S ps (S는 cm² 단위)로 표현된다.
• 2.5 cm 너비의 90 cm 길이 스트립 독출에서, 양끝에서 신호를 측정하고 시간 평균을 적용함으로써 110–120 ps의 시간 해상도를 달성하였다.
• 모든 시험된 스트립 위치에서 3σ 검출 효율은 94% 이상을 유지하였으며, 스트립 길이 전반에 걸쳐 유의미한 열화가 관찰되지 않았다.
• 프론트엔드 전자 회로의 내재된 시간 해상도는 약 70 ps로 측정되었으며, 신호 진폭 합성 정확도는 5–7%였다.
• 입자 빔 빈도가 증가함에 따라 시간 해상도가 열악해졌으며, 고속에서 검출 효율은 작은 패드의 경우 97%에서 큰 패드의 경우 94%로 감소하였다.
• 시스템 총 두께는 약 12 mm(챔버 및 프론트엔드 전자 회로 포함)로, HARP 실험에서 요구하는 얇은 ToF 검출기 조건을 충족시켰다.