[논문 리뷰] Tests of a High Resolution Time of Flight System Based on Long and Narrow Scintillator

E. Chen, M. Saulnier외 2명|ArXiv.org|1996. 06. 16.

Advanced Frequency and Time Standards인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 2.5×2.5×200 cm 크기의 긴 좁은 형상의 심층 빛방출체 블록을 광증폭관과 결합하여 100 ps 이내의 타이밍 해상도를 달성하는 고해상도 시간간격측정(TOF) 시스템을 제시한다. Amperex XP2020/UR 및 Hamamatsu R2021 광증폭관을 사용하여 각각 71 ps 및 81 ps의 타이밍 해상도를 달성하였으며, 내부 반사율이 뛰어난 블록형 빛방출체가 섬유형 빛방출체 블록보다 우수한 성능을 보였다.

ABSTRACT

We have tested a prototype time-of-flight system based on bulk scintillator block of dimensions $2.5 imes 2.5 imes 200$ cm. Using a calibration scheme similar to the one used in actual collider experiments, we have achieved a resolution of 71 ps using Amperex XP2020/UR photomultipliers and 81 ps using proximity-focusing fine-mesh photomultipliers (Hamamatsu R2021). Results are also obtained for scintillating fiber blocks of the same dimensions. Good internal reflectivity of the bulk scintillator block resulted in resolutions superior to the fibre blocks. A single-photon pulsed laser system was used to study photomultipliers and the results were used in a Monte Carlo simulation of the system to study the critical elements that determine the resolution.

연구 동기 및 목표

• 입자물리 응용을 위한 고해상도 시간간격측정 시스템을 개발하고 시험하는 것.
• 긴 좁은 기하구조에서 블록형 빛방출체 블록과 섬유형 빛방출체 블록의 타이밍 성능을 평가하는 것.
• 표준형(ามperex XP2020/UR)과 근접집속형 미세메쉬(Hamamatsu R2021) 광증폭관 두 종류의 타이밍 해상도를 비교하는 것.
• 레이저 캘리브레이션과 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 타이밍 해상도에 영향을 미치는 주요 시스템 구성 요소를 규명하는 것.
• 정밀한 광자 단위 펄스 레이저를 사용하여 광증폭관의 특성을 정밀하게 특성화함으로써 시스템 성능을 검증하는 것.

제안 방법

• 2.5×2.5×200 cm 크기의 블록형 빛방출체 블록을 사용하여 타이밍간격측정 시스템의 프로토타입을 구축하였다.
• 광증폭관(ามperex XP2020/UR 및 Hamamatsu R2021)을 빛방출체 블록의 양단에 부착하여 빛방출 빛을 탐지하였다.
• 광증폭관의 반응과 타이밍 해상도를 캘리브레이션하고 특성화하기 위해 단일 광자 펄스 레이저 시스템을 사용하였다.
• 실제 콜라이더 실험에서 사용하는 것과 유사한 캘리브레이션 방식을 사용하여 타이밍 해상도를 측정하였다.
• 레이저 데이터를 기반으로 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하여 시스템의 주요 구성 요소가 타이밍 해상도에 미치는 기여도를 모델링하고 분석하였다.
• 동일한 치수를 가진 블록형 빛방출체 블록과 섬유형 빛방출체 블록 간의 성능을 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준형 및 미세메쉬 광증폭관을 사용한 긴 좁은 빛방출체 블록 시스템에서 도달할 수 있는 타이밍 해상도는 무엇인가?
• RQ2 동일한 치수를 가진 블록형 빛방출체 블록의 타이밍 해상도는 섬유형 빛방출체 블록과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 레이저 캘리브레이션과 시뮬레이션을 통해 드러난 주요 요인은 무엇이며, 이는 타이밍 해상도를 제한하는 주요 요인인가?
• RQ4 광증폭관의 특성, 예를 들어 전이시간 분산과 후광 효과는 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 빛방출체 블록의 내부 반사율은 전체 타이밍 해상도에 어느 정도의 영향을 미치는가?

주요 결과

• Am페렉스 XP2020/UR 광증폭관을 사용하여 시스템은 71 ps의 타이밍 해상도를 달성하였다.
• 근접집속형 미세메쉬 광증폭관(Hamamatsu R2021)을 사용하여 81 ps의 해상도를 달성하였다.
• 내부 반사율이 뛰어난 블록형 빛방출체 블록이 섬유형 빛방출체 블록보다 뛰어난 타이밍 해상도를 보였다.
• 레이저 캘리브레이션 결과, 광증폭관의 전이시간 분산과 후광 특성이 해상도를 제한하는 핵심 요소로 드러났다.
• 레이저 데이터를 기반으로 한 몬테카를로 시뮬레이션은 측정된 타이밍 해상도를 성공적으로 재현하였으며, 성능 제한 요소를 정확히 규명하는 데 기여하였다.
• 결과적으로, 고에너지 물리 실험에서 고해상도 TOF 시스템을 구현하기 위해 고성능 광증폭관과 긴 좁은 빛방출체 블록을 조합하는 것이 가능함을 확인하였다.