[논문 리뷰] The "miniskirt" counter array at CDF-II

A. Artikov, G. Bellettini외 13명|ArXiv.org|2002. 09. 20.

Radio Astronomy Observations and Technology참고 문헌 4인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 페르미랩의 테바트론에서 CDF-II 뮤온 검출기 업그레이드를 위해 '미니스커트'(MSX) 심층성 반도체 카운터 어레이의 설계, 수정, 시험 및 설치에 대해 기술한다. 공간 제약으로 인해 전체 빛가이드 읽기 시스템을 설치할 수 없었기 때문에, 파장이동(WLS) 섬유와 반사면이 있는 섬유 끝, 그리고 소형 포지티브 멤브레인 트랜스듀서(PMT)를 사용하여, 배경 분리에 필요한 수준인 ≤2.2 ns의 타이밍 해상도를 달성하였다. 이는 토프 쿼크 및 힉스 보존 물리 연구에 유리하다.

ABSTRACT

As a part of the CDF Upgrade for Run-II of the Tevatron collider, the azimuthal coverage of the muon detectors between pseudorapidities of 0.6 and 1.2 was completed by the insertion of stacks of drift chambers and scintillation counters, which came to be known as the "miniskirts" because they cover lower 90^o in azimuth. The design and construction of the miniskirts was rather complex and posed special problems because of its interference with the floor and the supports of the central detector. The original design parameters of the "miniskirt" scintillator counters for the CDF Muon System are presented and the modifications, testing and installation of these counters in the course of the CDF Upgrade Project are described in detail

연구 동기 및 목표

• Run-I에서 부족했던 0.6 < |η| < 1.2의 의사속도비 범위에서 CDF-II 뮤온 검출기의 애자이멀 커버리지 확장을 위해.
• 미니스커트 카운터에 표준 빛가이드 읽기 시스템을 완전히 설치할 수 없게 만드는 기계적 및 공간적 제약을 해결하기 위해.
• 특히 $t\overline{t}$ 및 $J/\Psi \to \mu^+\mu^-$ 붕괴에서 배경 억제에 필요한 타이밍 해상도를 확보하기 위해.
• 빛 수집을 극대화하고 타이밍 불확실성을 최소화하기 위해 반사면이 있는 섬유 끝을 갖춘 신뢰성 있는 WLS 섬유 읽기 시스템을 개발하고 구현하기 위해.
• 전체 설치 이전에 우주선 및 빔 조건 하에서 MSX 카운터의 성능을 캘리브레이션하고 검증하기 위해.

제안 방법

• MSX에 대해 15 mm 두께의 사다리형 NE114 심층성 반도체 카운터를 사용하였으며, 원래 설계에서 사용된 20 mm 두께의 CSX 카운터와 다름.
• 표준 MSX 카운터에는 2" EMI형 PMT와 곡선형 루시트 빛가이드를 사용한 双측 읽기 방식을 적용하였지만, 공간 제약으로 인해 네 개의 카운터(MSX′)에는 1 mm 지름의 Y11 WLS 섬유를 사용하여 대체하였다.
• 빛 수집 효율을 높이기 위해 WLS 섬유 띠(15섬유 조합)를 심층성 반도체의 긴 가장자리에 BC-600 광학 시멘트로 부착하였다.
• WLS 섬유의 원거리 끝에 알루미늄 증착막을 도포하여 '반사면'을 형성함으로써 70–90%의 반사 효율을 달성하여 빛 수집을 향상시켰다.
• 빠른 파장의 파란 LED(Nichia NSPB310A)를 사용하여 PMT를 캘리브레이션하여 캘리브레이션 상수 k(사진전자당 채널 수)를 추출하였으며, 이를 통해 $n_{pe} = (\overline{Q} - Q_o) / (k/A)$ 식을 이용해 카운터 감도를 산정하였다.
• 우주 뮤온 탐지기(두 개의 15×15×2 cm³ 심층성 반도체)를 사용하여 타이밍 해상도를 측정하였으며, TDC 및 메인타이머를 활용해 시간 해상도와 체계적 오차를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 0.6 < |η| < 1.2 범위에서 CDF-II 뮤온 시스템의 90° 애자이멀 간극에서 효과적인 뮤온 탐지 방법은 무엇인가?
• RQ2 기계적 제약로 인해 미니스커트 카운터에 표준 빛가이드를 설치할 수 없을 경우, 어떤 대체 읽기 방법을 사용할 수 있는가?
• RQ3 반사면이 있는 WLS 섬유 읽기 시스템이 Run-II 물리 응용에 충분한 타이밍 해상도를 확보할 수 있는가?
• RQ4 최종 MSX′ 설계에서 달성 가능한 타이밍 해상도는 얼마이며, 배경 억제 요구사항과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ5 카운터 길이 전반에 걸친 신호 타이밍 변동이 전체 성능과 시스템 안정성에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 반사면이 있는 WLS 섬유 읽기 시스템은 총 타이밍 해상도($\sigma_{\text{tot}}$)를 ≤2.2 ns로 달성하여 Run-II 물리 연구에서 배경 분리 요구사항을 충족시켰다.
• 트리거 카운터의 불확실성(1.1 ns)을 보정한 평균 타이밍 해상도는 위치에 관계없이 일관되게 유지되었으며, PMT에서 가장 멀리 떨어진 끝부분(X3)에서 가장 높은 불확실성이 관측되었는데, 이는 빛가이드 내에서의 츄렌코프 빛 때문일 가능성이 높다.
• 알루미늄 코팅이 된 반사면 섬유 끝은 빛 반사 효율을 70–90%로 높여, 코팅되지 않은 섬유에 비해 신호 수집 능력을 크게 향상시켰다.
• 우주 뮤온에 대한 ADC 응답을 캘리브레이션된 PMT 파rameter를 사용하여 측정한 카운터 감도는 $n_{pe} = (\overline{Q} - Q_o) / (k/A)$ 식을 통해 산정되었으며, 결과는 표 2에 기재되어 있다.
• 최종 설계인 WLS 섬유 읽기 및 소형 하마마츠 H5783 PMT를 포함한 시스템은 성공적으로 시험·설치되었으며, 2002년 가을에는 세 개의 표준 MSX 섹션 이미 운영 중이었다.
• YMON 프로그램을 통한 점유율 모니터링 결과, 빔 및 우주선 조건 하에서도 안정된 작동이 확인되었으며, 유의미한 노이즈나 감도 불안정성은 관측되지 않았다.