[논문 리뷰] New fiber read-out design for the large area scintillator detectors: providing good amplitude and time resolutions

Varlen Grabski|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 03.

Advanced Optical Sensing Technologies인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 대면적闪烁검출기에서 균일한 빛 수확과 최소한의 시간 분산을 달성하기 위해 수직으로 배열된 섬유를 사용하는 새로운 클리어 섬유 매트릭스 읽기 설계를 제안한다. 섬유 밀도를 최적화하고 단일 코어 섬유를 사용함으로써, 설계는 200 ps 이내의 타임 해상도와 높은 진폭 균일성을 달성하며, 기존 타일 기반 시스템에 비해 확장성과 타이밍 성능에서 뛰어나다.

ABSTRACT

Most of the time-of-flight systems as well as the fast interaction trigger detectors have large surfaces and the principal requirements for the above mentioned detectors is a good time resolution of the order 100-200ps. The easiest solution here is to split the large surface into the small tiles with a read-out directly attached to the photo-sensor. This solution is expensive because the number of the channels grows proportional to the surface. Although if the coverage of the whole surface by the sensors is not sufficient, one can obtain non uniform response, which is not acceptable if uniformity is required. Our suggestion is based on the usage of clear fibres mounted perpendicular on the surface of the scintillator as a matrix providing uniform surface reduction and keeping most of the benefices of the small tiles with the photo-sensors. In this work the design and some analytic estimations of the light collection efficiency for direct and reflected photons will be presented. Also some simple estimations are presented for the time-spread and for the light pulse wave form dependent on the lateral sizes and the thickness of the scintillator.

연구 동기 및 목표

• 시간 도래 및 빠른 상호작용 트리거 시스템에 사용되는 대면적闪烁검출기에서 균일한 시간 및 진폭 해상도를 달성하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 타일 기반 설계에 비해 광검출기 및 전자 채널 수를 줄이되, 타이밍 성능을 손상시키지 않기 위해.
• 빠른 광자 타이밍을 유지하고 섬유 전송에 의한 시간 분산를 최소화하는 확장 가능하고 균일한 빛 수확 시스템을 개발하기 위해.
• 실제 검출기 설계에 적용 가능한 빛 수확 효율성 및 시간 분산에 대한 분석 모델을 제공하기 위해.

제안 방법

• 검출기 표면에 수직으로 배치된 클리어 광섬유 매트릭스를 사용하여 균일한 빛 수확을 수행하기 위해.
• 세 가지 커플링 방법을 적용: 직접 광학 접촉, 섬유 통합형 빛 집중기, 중간 플라스틱 층을 사용하여 그림자 효과를 줄이고 균일성을 향상시키기 위해.
• 직접 및 반사된 광자에 대한 빛 수확 효율을 추정하기 위해 분석 모델을 적용하며, 이는 반사의 거울형 및 라운드형 반사 모두 포함한다.
• 섬유 길이, 굴절률 계수, 검출기 두께를 기반으로 시간 분산 공식을 유도하여 타이밍 해상도를 예측하기 위해.
• 직접 및 반사된 광자에 대한 펄스 웨이브폼과 시간 분산을 모의하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하며, 이는 확률적 방출 효과를 포함한다.
• ALICE 실험의 V0+ 검출기 프로토타입을 사용하여 결과를 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 클리어 섬유 매트릭스 설계는 대면적闪烁검출기에서 200 ps 이내의 타임 해상도를 달성하면서도 진폭 균일성을 유지할 수 있는가?
• RQ2 섬유 밀도와 섬유 유형(단일 코어 대 다중 코어)은 시간 분산과 빛 수확 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 반사 메커니즘(거울형 대 산산이 산산이 흩날리는 반사)은 섬유 읽기 시스템의 타이밍 해상도와 펄스 형상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 섬유 길이와 굴절률 계수는 수확된 광자의 시간 분산에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 직접 커플링 또는 전통적인 빛 가이드에 비해 표면 균일성은 어느 정도 향상될 수 있는가?

주요 결과

• 직접 광자에 대한 시간 분산는 약 112 ps로 추정되며, 이는 분석 공식과 시뮬레이션 결과와 매우 유사하다.
• 시간 분산는 주로 섬유 길이와 굴절률 계수에 의해 결정되며, 단일 코어 섬유는 다중 코어 섬유보다 더 나은 타이밍 성능을 위해 0.02의 계수를 제공한다(다중 코어는 0.03).
• 직접 광자 외에 반사 광자를 포함할 경우, 작은 횡방향 검출기 치수에서 빛 수확 효율이 3배 증가한다.
• 직접 섬유 커플링에 비해 그림자 영역을 줄이고 표면 균일성을 향상시키며, 특히 중간 플라스틱 층이나 집중기를 사용할 경우 더욱 뚜렷하다.
• 시뮬레이션 결과, 이중 반사 광자는 약 400 ps 지연되며, 이는 검출기 두께에 해당하며 펄스 꼬리 형성에 기여한다.
• ALICE V0+ 검출기용 프로토타입 설계는 분석 예측과 실험 결과 사이에 정성적으로 일치하는 결과를 보였다.