[논문 리뷰] Performance of Wavelength-Shifting Fibers for the Mu2e Cosmic Ray Veto Detector

G. DeZoort, E. C. Dukes외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 17.

Particle Detector Development and Performance인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 파장이동 섬유(WLS)를 Mu2e 우주선 비트 시스템(CRV)에 적용하기 위해, 빛 수확량과 감쇠를 측정하기 위해 특수 설계된 섬유 스캐너를 사용한다. 1.4 mm 및 1.8 mm 지름의 Kuraray Y11 WLS 섬유는 1.0 mm 섬유보다 각각 2배, 3배 높은 빛 수확량을 보이며, 520–600 nm 범위에서 10 m 이상의 긴 감쇠 길이를 나타내어 입자물리 실험에서 고비트 효율성의 정현성 섬유 독출을 최적화한다.

ABSTRACT

The Mu2e experiment will search for a neutrino-less muon-to-electron conversion process with almost four orders of magnitude of sensitivity improvement relative to the current best limit. One important background is caused by cosmic ray muons, and particles produced by their decay or interactions, mimicking the conversion electron signature. In order to reach the design sensitivity, Mu2e needs to obtain a cosmic ray veto (CRV) efficiency of 99.99\%. The CRV system consists of four layers of plastic scintillating counters read out by silicon photo-multipliers (SiPM) through wavelength shifting fibers. The CRV counters must produce sufficient photo statistics in order to achieve the required veto efficiency. We study the light properties of several wavelength shifting fiber sizes in order to optimize the total light yield for the CRV system. The measurements are performed using a scanner designed to ensure fiber quality for the CRV.

연구 동기 및 목표

• Mu2e 우주선 비트(CRV) 시스템을 위한 파장이동(WLS) 섬유의 빛 수확량과 감쇠를 최적화하기 위해.
• 우주선 비트 효율성이 99.99%에 도달해야 하는 CRV 시스템에서 섬유 품질과 일관성을 확보하기 위해.
• 특수 설계된 스캐너를 사용하여 다양한 WLS 섬유 지름(1.0, 1.4, 1.8 mm)의 빛 수확량과 스펙트럼 감쇠를 측정하고 비교하기 위해.
• 장거리 섬유 독출에 사용되는 실리콘 광다이오드(SiPMs)와 함께 사용하기에 적합한 Kuraray Y11 WLS 섬유와 K27 염료의 타당성을 검증하기 위해.
• CRV 제작 과정에서 품질 보증을 위한 신뢰할 수 있는 섬유 스캐너 개발을 통해 수천 미터에 이르는 섬유의 일관된 성능 확보하기 위해.

제안 방법

• 최대 지름 0.2 cm인 큰 지름의 WLS 섬유를 최소 굽힘 반경을 초과하지 않도록 처리하기 위해 62 cm 지름의 리어드럼을 갖춘 특수 설계의 섬유 스캐너를 개발하였다.
• 파란 LED가 WLS 섬유를 자극하고, 절대 빛 수확량 측정을 위해 대면적의 Hamamatsu S1227-1010BR 광다이오드를, 스펙트럼 반응 측정을 위해 STS-VIS USB 스펙트로포토미터를 사용하였다.
• 스테핑 모터를 사용하여 가속도/감속도를 제어하며, 25 m 길이의 섬유에서 5 cm 간격으로 점진적인 측정을 수행하였다.
• 원격으로 제어되는 Raspberry Pi를 통해 데이터 수집을 관리하며, 모터 동작 제어 및 광다이오드 및 스펙트럼계 읽기 값을 저장하였다.
• 빛 수확량은 짧은 감쇠 길이와 긴 감쇠 길이 성분을 추출하기 위해 이중 지수 감쇠 함수를 사용하여 모델링하였다: $ f(x) = A e^{-x/λ_S} + B e^{-x/λ_L} $.
• 스펙트럼 감쇠는 거리에 따른 강도의 단일 지수적 피팅을 통해 350–800 nm 범위의 다양한 방출 파장에서의 감쇠 길이를 결정하기 위해 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 섬유 지름(1.0, 1.4, 1.8 mm)이 Kuraray Y11 WLS 섬유의 빛 수확량에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 500–600 nm 방출 스펙트럼에서 WLS 섬유의 감쇠 길이는 무엇이며, 거리에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 섬유 길이에 따라 방출된 빛의 스펙트럼 분포는 어떻게 변화하는가, 특히 500–600 nm 범위에서 어떻게 되는가?
• RQ4 특수 설계된 섬유 스캐너는 빛 수확량 측정을 통해 WLS 섬유의 결함이나 비균일성을 신뢰성 있게 탐지할 수 있는가?
• RQ5 두꺼운 섬유는 장거리 섬유 독출에 사용되는 SiPM 기반 독출에서 빛 수집 효율을 얼마나 향상시키는가?

주요 결과

• 1.8 mm 지름의 Kuraray Y11 WLS 섬유는 1.0 mm 섬유보다 약 3배 높은 빛 수확량을 나타낸다.
• 1.4 mm 섬유는 1.0 mm 섬유보다 약 2배 높은 빛 수확량을 보이며, 지름에 따라 뚜렷한 성능 향상이 있음을 시사한다.
• 더 두꺼운 섬유(1.4 및 1.8 mm)는 1.0 mm 섬유보다 약간 우수한 감쇠 특성을 보이며, 거리에 따른 신호 손실을 줄인다.
• 스펙트럼 반응 분석 결과, 짧은 파장 성분(예: <500 nm)은 더 긴 파장 성분(520–600 nm)보다 더 빠르게 감쇠됨을 확인하였다.
• SiPM의 감도 최대 피크와 일치하는 520–600 nm 방출 대역에서는 감쇠 길이가 10 미터를 초과함을 확인하였다.
• 섬유 스캐너는 빛 수확량의 급격한 감소와 비균일한 감쇠를 통해 손상된 섬유를 성공적으로 탐지하여, 제작 과정에서 효과적인 품질 보증이 가능함을 입증하였다.