[논문 리뷰] New detectors for the kaon and hypernuclear experiments with KaoS at MAMI and with PANDA at GSI

P. Achenbach, C. Ayerbe Gayoso외 32명|arXiv (Cornell University)|2006. 05. 31.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 1인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 MAMI 및 GSI 시설에서 카이온 및 하이퍼핵 물리 실험을 위해 새로운 고해상도 빛을 내는 섬유 검출기와 고순도 게르마늄(HPGe) 분광계의 개발 및 시험을 제시한다. 실험 결과, HPGe 검출기가 1.2 T 자기장에서 FWHM 기준 0.3% 이하의 에너지 해상도를 유지함을 입증하여, PANDA 및 KaoS 실험에 필수적인 정밀 감마선 분광법을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The KaoS spectrometer at the Mainz Microtron MAMI, Germany, is perceived as the ideal candidate for a dedicated spectrometer in kaon and hypernuclei electroproduction. KaoS will be equipped with new read-out electronics, a completely new focal plane detector package consisting of scintillating fibres, and a new trigger system. First prototypes of the fibre detectors and the associated new front-end electronics are shown in this contribution. The Mainz hypernuclei research program will complement the hypernuclear experiments at the planned FAIR facility at GSI, Germany. At the proposed antiproton storage ring the spectroscopy of double Lambda hypernuclei is one of the four main topics which will be addressed by the PANDA Collaboration. The experiments require the operation of high purity germanium (HPGe) detectors in high magnetic fields (B= 1T) in the presence of a large hadronic background. The performance of high resolution Ge detectors in such an environment has been investigated.

연구 동기 및 목표

• MAMI에서 KaoS 분광계를 위한 고성능 초점면 검출기를 개발하여 전자 산란 실험에서 카이온과 하이퍼핵을 고효율으로 탐지할 수 있도록 한다.
• GSI의 PANDA 실험에서 일반적인 자기장 강도인 최대 1.2 T까지의 강한 자기장 조건에서도 고순도 게르마늄(HPGe) 검출기를 사용하여 고해상도 감마선 분광법을 확보한다.
• 이상한 입자 생성 실험에서 흔히 발생하는 고속도 및 고배경 조건에서 에너지 해상도와 신호 무결성을 유지하는 데 도전하는 문제를 해결한다.
• 실제 자기장 조건에서 향후 PANDA 및 KaoS 실험을 위한 신규 프론트엔드 전자회로 및 트리거 시스템의 성능을 검증한다.

제안 방법

• 384개의 빛을 내는 섬유(Kuraray SCSF-78)를 사용한 프로토타입 삼중 검출기 모듈 설계 및 시험. 각 96채널 프론트엔드 보드는 다중아노드 광전자배율관(MAPMT)과 Cockcroft-Walton 전압 증폭기를 탑재.
• 60° 섬유 군집 구성을 채택하여 이중층 섬유 배열을 반 섬유 간격만큼 오프셋하여 탐지 효율과 공간 해상도를 향상시킴 (피치: 0.42 mm).
• 100 MHz, 12비트 FADC(SIS3300)를 사용하여 프리앰프 신호를 디지털화하고, 이동 창 탈중합(MWD)을 통해 지수 신호 尾를 보정하여 펄스 형상과 에너지 정보를 추출.
• 60Co 원천을 사용하여 자기장 강도가 1.2 T까지인 조건에서 HPGe 검출기(Vega 및 Euroball 클러스터)의 에너지 해상도(FWHM) 측정. 배경 모델링은 정규분포, 기울어진 정규분포 및 단계 함수를 사용.
• 자기장 강도 및 방향에 따른 검출기 성능을 체계적으로 평가하였으며, 노출 후 에너지 해상도가 완전히 복원됨을 확인함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PANDA의 이중-Λ 하이퍼핵 분광법에 요구되는 바와 같이, 고순도 게르마늄 검출기가 최대 1.2 T 자기장에서도 FWHM 기준 0.3% 이하의 에너지 해상도를 유지할 수 있는가?
• RQ2 강한 자기장(B ≈ 1 T)이 고배경 환경에서 사용되는 HPGe 검출기의 펄스 형상과 에너지 해상도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 카이온 및 하이퍼핵 실험을 위해 탐지 효율과 공간 해상도를 극대화하기 위한 빛을 내는 섬유 검출기의 최적 구성(기하학적 배열, 피치, 읽기 전자회로)은 무엇인가?
• RQ4 이동 창 탈중합(MWD) 알고리즘이 고자기장 조건에서 지수 감쇠로 인해 왜곡된 프리앰프 신호의 원래 진폭을 효과적으로 복원할 수 있는가?
• RQ5 자기장의 방향이 검출기 축에 대해 어떻게 배열되어 있는지에 따라, 분할된 HPGe 검출기의 에너지 해상도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 1.2 T에서 하나의 Euroball 크리스탈에서 에너지 해상도가 0.3% FWHM로 측정되어 강한 자기장 조건에서 고정밀 감마선 분광법의 가능성을 입증하였다.
• Vega HPGe 검출기는 다양한 자기장 방향에서 일관된 에너지 해상도를 유지하였으며, 0.3 T 또는 1.2 T에서의 성능 저하가 눈에 띄지 않았다.
• 이동 창 탈중합(MWD) 알고리즘이 프리앰프 신호의 초기 진폭을 성공적으로 복원하여, 지수 신호 尾로 인한 왜곡에도 불구하고 정확한 에너지 추출이 가능함을 입증하였다.
• 58.4 mm 너비의 섬유 군집과 0.42 mm 피치를 가진 프로토타입 삼중 검출기는 고속도 카이온 탐지에 적합한 높은 탐지 효율과 공간 해상도를 확보하였다.
• 1.2 T에서 연속 2일간의 운영 중 FET 고장, 진공 파손, 스파크 현상이 관찰되지 않아 시스템의 안정성을 확인하였다.
• Vega 검출기의 에너지 해상도는 FADC 샘플링 창 폭(M)이 증가함에 따라 향상되었으며, 자기장 영향 하에서 더 긴 통합 시간이 해상도 향상에 기여함을 시사한다.