[논문 리뷰] The Ring Imaging Cherenkov detector (RICH) of the AMS experiment

F. Barão, M. Aguilar Benitez외 38명|arXiv (Cornell University)|2006. 03. 31.

Radiation Detection and Scintillator Technologies참고 문헌 2인용 수 5

한 줄 요약

AMS RICH 검출기는 1.05의 굴절률을 가진 에어졸 레이더 및 광증폭기 기반의 광자 검출을 이용한 근접 집중형 링 이미징 체렌코프 기술을 사용하여 입자의 속도와 전하를 측정한다. 158 GeV/c의 In 이온을 이용한 입사비트 테스트에서 단일 전하를 띤 입자에 대해 0.1%의 속도 해상도를 확인하였고, 철까지의 전하 분리 능력이 입증되어 우주선 물리학을 위한 우주 기반 설계의 타당성이 검증되었다.

ABSTRACT

The Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) experiment to be installed on the International Space Station (ISS) will be equipped with a proximity focusing Ring Imaging Cherenkov (RICH) detector for measuring the electric charge and velocity of the charged cosmic particles. A RICH prototype consisting of 96 photomultiplier units, including a piece of the conical reflector, was built and its performance evaluated with ion beam data. Preliminary results of the in-beam tests performed with ion fragments resulting from collisions of a 158 GeV/c/nuc primary beam of Indium ions (CERN SPS) on a Pb target are reported. The collected data included tests to the final front-end electronics and to different aerogel radiators. Cherenkov rings for a large range of charged nuclei and with reflected photons were observed. The data analysis confirms the design goals. Charge separation up to Fe and velocity resolution of the order of 0.1% for singly charged particles are obtained.

연구 동기 및 목표

• 국제우주정거장에서의 우주선 연구를 위한 정밀한 입자 속도 및 전하 측정을 가능하게 한다.
• 이sovotope 분리 및 암흑물질 탐색을 지원하기 위해 단일 전하 입자에 대해 0.1% 상대 속도 해상도를 확보한다.
• 우주선의 전파 및 은하계 운반 메커니즘을 이해하기 위해 철(Z = 26)까지의 전하 분해능을 확보한다.
• 질량, 전력, 재료 제약 조건을 엄격히 준수하는 조건에서 경량이며 저전력의 RICH 검출기를 AMS 분석기계에 통합한다.
• 비행 통합 이전에 프로토타입 RICH 검출기의 성능을 이온 비트 데이터를 이용해 검증한다.

제안 방법

• 자르개형 구형 기하학을 가진 근접 집중형 링 이미징 체렌코프(RICH) 설계를 채택하고, 이중 고체 레이더(에어졸 및 NaF)를 사용한다.
• 12비트 ADC 디지털화 및 저전력 프론트엔드 전자회로를 이용한 680개의 다중픽셀 광증폭기 읽기 셀을 사용하여 광자 신호 처리를 수행한다.
• 수용각과 광자 수집 효율을 향상시키기 위해 고반사율의 원추형 거울을 구현한다.
• 가변 확장 높이와 가변 에어졸 샘플을 갖춘 96채널 프로토타입 RICH를 사용하여 비트 조건 하에서 성능을 시험한다.
• 속도 및 전하 측정을 위한 두 가지 독립적인 재구성 방법을 적용하고, 동적 범위 및 광전자 감도 최적화를 위한 신호 처리를 수행한다.
• Pb 타겟에 158 GeV/c/nuc의 In 이온을 조사하여 분열 이온(Z < 49)을 생성하고, 이를 검증하기 위해 입사비트 테스트를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주 기반 환경에서 RICH 검출기는 단일 전하 입자에 대해 0.1% 상대 속도 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 RICH는 우주선 이소otope 농도 측정을 위해 충분한 정밀도로 철(Z = 26)까지 전하를 분리할 수 있는가?
• RQ3 어느 에어졸 레이더 특성(굴절률, 투명도, 두께)이 광자 수확 및 링 재구성 효율을 최적화하는가?
• RQ4 거울 반사율과 광학적 균일도는 링 이미징 성능 및 속도 해상도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 비행 통합 이전에 실제 비트 조건 하에서 프로토타입 RICH 시스템이 요구되는 성능 지표를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 1.05 굴절률을 가진 에어졸을 사용한 프로토타입 RICH는 헬륨 이온에 대해 약 0.45 × 10⁻³(0.045%)의 상대 속도 해상도를 확보하였다.
• 저Z 이온에 대해 약 0.15의 전하 해상도를 관측하였으며, 비균일성으로 인한 체계적 불확도는 전하에 비례하여 1.2%로 증가하였다.
• 재구성된 데이터에서 철(Z = 26)까지의 전하 피크가 명확히 확인되어 전하 분리 능력이 입증되었다.
• 최고의 빛 수확량은 2003년 CIN 에어졸 샘플에서 관측되었으며, 굴절률 1.05 및 투명도 약 ~0.0055 μm⁻⁴/cm로, 최종 레이더로 선정되었다.
• 데이터에서 측정된 거울 반사율은 설계값과 양호한 일치를 보였으며, 광학 성능이 확인되었다.
• 검출기는 설계 목표를 달성하였으며, 0.1% 속도 해상도와 철 전하 분리 능력이 분열된 In 이온을 이용한 입사비트 테스트를 통해 확인되었다.