[논문 리뷰] Optical fiber read-out for liquid argon scintillation light

J. Janicskó Csáthy, T. Bode외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 14.

Radiation Detection and Scintillator Technologies참고 문헌 12인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 액체 알루미늄(He)에서 고순도 Germanium (HPGe) 검출기를 위한 저배경, 반-Compton 캐시 시스템을 제시한다. 파장 이동(WLS) 섬유를 실리콘 광다이오드(SiPMs)에 연결하여 산란광 신호를 읽는 방식을 사용한다. 이 시스템은 226Ra에 대해 11.8–14.6, 232Th에 대해 177의 억제 요소를 달성하여 기존의 PMT 기반 시스템과 유사한 성능을 보이며, 암흑 물질 및 중성미자 실험을 위한 저배경 HPGe 검출기의 실현 가능성을 입증한다. 또한 214Bi–214Po 지연 쌍방향 사건을 성공적으로 탐지하여 배경 억제 성능을 향상시켰다.

ABSTRACT

In this paper we describe the performance of a light detector for Ar scintillation light made of wavelength-shifting (WLS) fibers connected to Silicon-Photomultipliers (SiPM). The setup was conceived to be used as anti-Compton veto for high purity germanium (HPGe) detectors operated directly in liquid Argon (LAr). Background suppression efficiencies for different radioactive sources were measured in a test cryostat with about 800 kg LAr. This work was part of the R\&D effort for the GERDA experiment.

연구 동기 및 목표

• 액체 알루미늄에서 직접 작동하는 HPGe 검출기를 위한 저배경, 소형 반-Compton 캐시 시스템을 개발하는 것.
• 저온, 초저배경 환경에서 전통적인 PMTs의 한계를 극복하기 위해 SiPMs와 WLS 섬유를 사용하는 것.
• 실제 LAr 환경에서 232Th 및 226Ra 원천으로부터 배경 사건을 효과적으로 억제할 수 있음을 입증하는 것.
• GERDA와 같은 실험에서 추가적인 배경 식별을 위해 214Bi–214Po 지연 쌍방향 사건의 탐지를 검증하는 것.

제안 방법

• 진공 증착된 TPB를 WLS 섬유 표면에 코팅하여 산란광을 가시광선 영역으로 이동시키는 특수 설계의 빛 감지기를 제작하였다.
• WLS 섬유는 냉각용기 외부에 위치한 SiPMs에 연결되었으며, 신호 전송은 50 Ω 동축 케이블을 통해 이루어졌다.
• 600 L 액체 알루미늄 냉각용기에서, 높이 1 m인 HPGe 검출기를 중간 높이에 매달아 시험을 수행하였다.
• 방사성 원천(232Th는 토리티드 용접봉을, 226Ra는 노출된 금속판을 통해)을 HPGe 검출기에서 1 cm 아래에 놓아 배경 오염을 시뮬레이션하였다.
• 데이터 수집은 펄서 트리거와 25 MHz 샘플링을 사용하여 665 μs의 트레이스를 기록하였으며, 감마 트리거 이후 지연된 알파 사건 분석이 가능하도록 하였다.
• 지연 쌍방향 분석은 HPGe 트리거 후 628 μs 이내에 고다중도 SiPM 신호(4개 이상의 채널, 20 p.e. 이상)를 식별하여 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WLS 섬유와 SiPM 기반 시스템이 액체 알루미늄에서 PMT 기반 시스템과 유사한 배경 억제 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ2 실제 LAr 환경에서 이 WLS 섬유–SiPM 구성으로 232Th 및 226Ra 원천에 대해 어떤 억제 요소를 기록할 수 있는가?
• RQ3 214Bi–214Po 지연 쌍방향 사건은 신뢰성 있게 탐지될 수 있는가? 이를 통해 추가적인 배경 식별이 가능할 수 있는가?
• RQ4 액체 기반 코팅에 비해 진공 증착된 TPB 코팅이 WLS 섬유에 더 뛰어난 성능과 내구성을 제공하는가?
• RQ5 반사판 필름 없이 섬유 전용으로 구성된 시스템의 효과적 감지 부피와 배경 억제 효율은 얼마인가?

주요 결과

• 232Th 원천의 2039 keV에서 억제 요소가 177 ± 33로 측정되어 강력한 배경 억제 능력을 보였다.
• 226Ra의 경우 2039 keV에서 억제 요소가 11.8 ± 1.2로 측정되었으며, 펄서 수용률이 95.2%로 높아 높은 탐지 효율을 확인하였다.
• 214Bi 감마 붕괴 이후 알파 사건의 관측된 시간 분포는 반감기가 164.5 ± 4.5 μs로 측정되었으며, 214Po의 반감기 164 μs와 일치하였다.
• 214Bi–214Po 지연 쌍방향 사건의 탐지가 성공적으로 입증되어, 잠재적인 새로운 배경 억제 채널을 확보하였다.
• 진공 증착된 TPB 코팅은 섬유 손상을 유발하지 않으며 액체 기반 방법에 비해 훨씬 뛰어난 품질을 보였다.
• 억제 요소가 PMT 기반 시스템의 최고 성능 결과와 유사한 수준임을 확인하여, WLS–SiPM 접근법의 실현 가능성을 입증하였다.