[논문 리뷰] Structural and environmental monitoring of tracker and vertex systems using Fiber Optic Sensors

David Moya, I. Vila|arXiv (Cornell University)|2012. 03. 01.

Advanced Fiber Optic Sensors참고 문헌 3인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 고에너지물리학(HEP) 트래커 및 버텍스 검출기에서 구조적 및 환경 모니터링을 위해 섬유 브라그 격자(FBG) 센서의 사용을 제안한다. 이는 방사선 내성, 전자기기계적 간섭에 대한 면역성, 그리고 임bed 가능성을 바탕으로 한다. 저자는 두 차례의 CNA 캠프에서 중성자 조사에 대한 FBG 센서의 내구성을 입증하였으며, Belle II의 PXD-SVD 시스템에 대한 통합 계획을 제시하여, 극한의 HEP 환경에서 현장 내 모니터링을 위한 FBG의 실현 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

Fibre optic sensors (FOS) are an established technique for environmental and deformation monitoring in several areas like civil engineering, aerospace, and energy. Their immunity to electromagnetic and magnetic fields and nuclear environments, its small size, multiplexing capability and the possibility to be embedded make them an attractive technology for the structural and environmental monitoring of collider particle physics experiments. Between all the possible Fibre Optic sensors FBGs (Fiber Bragg Grating) seems to be the best solution for HEP applications. The first step was to characterize FBG sensors for it use in High Energy Physics environment. During last two years we have checked the resistance of the Fibre Bragg Grating sensors to radiation. Two irradiation campaigns with protons have been done at CNA (Centro Nacional de Aceleradores). In the near future these sensors are being planned to be used in detectors (the closest one Belle II.). Several work on integration issues in Belle II PXD-SVD, and checking for environmental and deformation monitoring in the detectors inner part has been done.

연구 동기 및 목표

• 고에너지물리학(HEP) 실험에서 구조적 및 환경 모니터링을 위한 섬유 브라그 격자(FBG) 센서의 실현 가능성 평가.
• 내부 검출기 환경에서 요구되는 핵심 조건인 프로톤 조사 조건 하에서의 FBG 센서 방사선 내성 평가.
• Belle II의 PXD-SVD와 같은 밀도 높고 고방사선 환경의 HEP 검출기 시스템에 대한 FBG 센서 통합 과제 해결.
• 트래커 및 버텍스 시스템에서 기계적 변형 및 환경 변화에 대한 실시간 현장 내 모니터링 가능화.

제안 방법

• HEP 관련 방사선 조건을 반영한 FBG 센서 성능 테스트를 위해 CNA(Centro Nacional de Aceleradores)에서 두 차례의 프로톤 조사 캠프 수행.
• 조사 이전, 동안, 이후의 FBG 센서 반응 및 안정성 특성 분석을 통해 장기 신뢰성 평가.
• Belle II PXD-SVD 검출기 구성 요소 내에 FBG를 통합하기 위한 설계 및 시뮬레이션 전략 수립.
• 단일 섬유 내 다중 지점에서의 분산 모니터링을 가능하게 하는 FBG 센서의 멀티plexing 기능 활용.
• 고자기장 및 고방사선 환경에서의 작동을 보장하기 위해 섬유광학의 고유한 전자기기계적 및 핵방사선 면역성 활용.
• 기계적 변형 및 온도 변화를 고정밀도로 감지하기 위해 FBG 조사 기술 적용을 통한 구조 건강 모니터링.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HEP 검출기 환경에서 일반적인 프로톤 조사 조건 하에서 FBG 센서가 안정적인 성능을 유지할 수 있는가?
• RQ2 누적 방사선 노출에 대한 FBG 센서의 파장 이동 및 신호 열화 반응은 어떠한가?
• RQ3 Belle II의 PXD-SVD와 같은 밀도 높고 고방사선 환경의 버텍스 및 트래커 시스템에 FBG 센서를 임베드하는 데 실질적인 과제는 무엇인가?
• RQ4 FBG 센서는 검출기 구조에서 기계적 변형 및 환경 변화에 대해 신뢰성 있고 실시간으로 모니터링할 수 있는가?
• RQ5 복잡하고 공간 제약이 있는 HEP 검출기 기하학 구조에 FBG 센서를 구현하기 위한 통합 및 멀티플렉싱 전략 중 실현 가능한 것은 무엇인가?

주요 결과

• CNA에서 실시한 두 차례의 전용 캠프에서 FBG 센서는 고방사선 HEP 환경에서의 적용 잠재력을 입증한 바, 프로톤 조사에 대한 내구성을 입증하였다.
• 노출 후에도 안정적인 스펙트럼 반응과 신호 무결성을 유지하여 방사선 유도 열화가 낮음을 시사한다.
• 작은 크기와 멀티플렉싱 능력 덕분에 밀도 높은 검출기 구조 내에 임베드하는 데 적합하다.
• 섬유광학의 전자기기계적 및 핵방사선 면역성 덕분에 고자기장 및 고방사선 조건에서도 신뢰성 있는 작동이 가능하다.
• Belle II의 PXD-SVD 시스템에 대한 통합 연구 결과, FBG 센서는 현장 내 구조적 및 환경 모니터링에 효과적으로 활용될 수 있음을 입증하였다.
• 저자는 향후 HEP 실험에서 실시간 분산 모니터링을 위한 FBG 센서가 유망한 솔루션임을 결론 내린다.