[논문 리뷰] Performance of Scintillator Counters with Silicon Photomultiplier Readout

Mu2e Collaboration Cosmic Ray Veto Group, A. Artikov외 16명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 02.

Radiation Detection and Scintillator Technologies참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 페르미랩에서 120 GeV 프로톤을 사용하여 Mu2e 우주선 비우제 시스템에 사용되는 실리콘 포토다이오드(스펙트럼) 읽기 방식의闪烁계수 카운터의 성능을 평가한다. 카운터 폭 전반에 걸쳐 균일한 횡방향 반응을 보이며, 섬유 감쇠 길이와 일치하는 일관된 猶가 반응을 보이고, 1.8-mm 섬유가 1.4-mm 섬유보다 약 15% 높은 빛 수확율을 보여, 고배경 환경에서 고정밀 입자 검출에 적합함을 확인한다.

ABSTRACT

The performance of scintillator counters with embedded wavelength-shifting fibers has been measured in the Fermilab Meson Test Beam Facility using 120 GeV protons. The counters were extruded with a titanium dioxide surface coating and two channels for fibers at the Fermilab NICADD facility. Each fiber end is read out by a 2*2 mm^2 silicon photomultiplier. The signals were amplified and digitized by a custom-made front-end electronics board. Combinations of 5*2 cm^2 and 6*2 cm^2 extrusion profiles with 1.4 and 1.8 mm diameter fibers were tested. The design is intended for the cosmic-ray veto detector for the Mu2e experiment at Fermilab. The light yield as a function of the transverse and longitudinal position of the beam will be given.

연구 동기 및 목표

• Mu2e 우주선 비우제(CRV) 시스템에 사용하기 위한 파장이동 섬유와 SiPM 읽기 방식을 갖춘 섬광 카운터의 성능을 검증하는 것.
• 120 GeV 프로톤 비드 노출 조건에서 너비(50 mm, 60 mm)와 섬유 지름(1.4 mm, 1.8 mm)이 다른 카운터의 횡방향 및 猶가 반응을 측정하는 것.
• 고방사선 환경에서 99.99% 비우제 효율을 확보하기 위해 카운터가 엄격한 CRV 요구사항을 충족하는지 확인하는 것.
• 신호 균일성, 가장자리 효과, 카운터 간 1 mm 간격과 섬유 구멍이 빛 수확율과 검출 효율에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 티타늄다이옥사이드 코팅을 가진 섬유형 섬광 카운터를 주형 제작하였으며, 1.4 mm 및 1.8 mm 지름의 파장이동 섬유(Kuraray Y11 non-s type, 175 ppm)를 내장하였다.
• 각 섬유 끝은 2×2 mm² 크기의 Hamamatsu S13360-2050VE SiPM으로 읽어내었으며, 스프링 장착 핀을 통해 기계적 접촉을 확보한 캐리어 보드에 장착되었다.
• 신호는 HDMI 케이블을 통해 고유의 프론트엔드 전자회로 보드를 통해 증폭 및 디지털화되었으며, 각 이중 카운터 양단에서 데이터를 수집하였다.
• 카운터는 페르미랩의 메손 테스트 비드 시설에서 120 GeV 프로톤 비드를 이용해 시험하였으며, 비드 위치와 각도를 변화시켜 횡방향 및 종방향 반응을 맵핑하였다.
• SiPM의 픽셀 수를 통해 반응을 측정하였으며, 진정한 광전자 수확율을 추정하기 위해 교차갈림(crosstalk) 보정을 검토 중이었다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 어두운 색상의 섬유 가이드 바에 의한 광자 흡수를 모델링하여 종방향 반응 감쇠를 설명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SiPM 읽기 방식을 갖춘 섬광 카운터의 횡방향 반응은 폭 전반에 걸쳐 얼마나 균일한가? 특히 가장자리와 카운터 간 간격 부근에서 어떻게 되는가?
• RQ2 카운터의 종방향 반응은 길이 방향으로 어떻게 변화하며, 예상되는 섬유 감쇠 길이와 일치하는가?
• RQ3 동일한 섬광 주형에 내장된 1.4 mm 및 1.8 mm 지름의 파장이동 섬유 간 상대적 빛 수확율은 어떻게 되는가?
• RQ4 섬유 구멍과 카운터 간 1 mm 간격이 신호 진폭과 검출 균일성에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ5 SiPM의 교차갈림 효과는 픽셀 수에 어떤 영향을 미치며, 보정 후 추정되는 진정한 광전자 수확율은 얼마인가?

주요 결과

• 카운터 폭 전반에 걸쳐 횡방향 반응이 매우 균일하며, 가장자리에서 0.5 mm 떨어진 지점에서만 신호가 50% 이하로 떨어지므로 뛰어난 공간 해상도를 보인다.
• 이웃하는 카운터 사이의 1 mm 유효 간격이 데이터상 명확히 확인되며, 이에 해당하는 신호 저하가 관측되어 기계적 설계의 정확성을 확인한다.
• 비드가 섬유 구멍을 통과할 경우 20–25%의 신호 저하가 발생하며, 이는 섬광체 내 경로 길이 감소와 일치한다.
• 종방향 반응은 예상되는 섬유 감쇠 길이와 일치하며, 주형 길이 전반에 걸쳐 유의미한 비균일성이 없음을 확인한다.
• 1.8 mm 지름 섬유는 1.4 mm 섬유보다 약 15% 더 높은 빛 수확율을 보이며, 벤치 테스트 결과는 이격 효과로 인해 실제보다 더 큰 40% 증가가 예상됨을 시사한다.
• 초기 교차갈림 보정 후 추정된 광전자 수확율은 측정된 픽셀 수의 약 절반 수준이었으며, 현재 SiPM 모델에서 교차갈림이 심각하게 영향을 미침을 시사한다.