[論文レビュー] New fiber read-out design for the large area scintillator detectors: providing good amplitude and time resolutions

Varlen Grabski|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2019

Advanced Optical Sensing Technologies被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、大面積シンチレーター検出器向けに、垂直に配置された繊維を用いて均一な光収集を実現し、最小限の時間スプレッドを達成する、新規なクリア繊維マトリックス読み出し設計を提案する。繊維密度の最適化とシングルクラッド繊維の使用により、200 ps未塔の時間分解能と高い振幅均一性を達成し、従来のタイルベースのシステムに比べてスケーラビリティと時間性能で優れる。

ABSTRACT

Most of the time-of-flight systems as well as the fast interaction trigger detectors have large surfaces and the principal requirements for the above mentioned detectors is a good time resolution of the order 100-200ps. The easiest solution here is to split the large surface into the small tiles with a read-out directly attached to the photo-sensor. This solution is expensive because the number of the channels grows proportional to the surface. Although if the coverage of the whole surface by the sensors is not sufficient, one can obtain non uniform response, which is not acceptable if uniformity is required. Our suggestion is based on the usage of clear fibres mounted perpendicular on the surface of the scintillator as a matrix providing uniform surface reduction and keeping most of the benefices of the small tiles with the photo-sensors. In this work the design and some analytic estimations of the light collection efficiency for direct and reflected photons will be presented. Also some simple estimations are presented for the time-spread and for the light pulse wave form dependent on the lateral sizes and the thickness of the scintillator.

研究の動機と目的

• 時間飛行および高速相互作用トリガー系に用いられる大面積シンチレーター検出器において、均一な時間分解能と振幅分解能を達成する課題に対処すること。
• 時間性能を損なわずに、タイルベースの設計と比較して、光検出器および電子チャネルの数を削減すること。
• 高速光子タイミングを維持し、繊維伝送による時間スプレッドを最小限に抑える、スケーラブルで均一な光収集システムを開発すること。
• 実際の検出器設計に適用可能な、光収集効率および時間スプレッドの解析的モデルを提供すること。

提案手法

• シンチレーター表面に対して垂直に配置されたクリア光学繊維のマトリックスを用いて、均一な光収集を実現すること。
• 3つのカップリング方法を採用：直接的光学接触、繊維統合型光集光器、中間のプラスチック層を用いて影陥を低減し、均一性を向上させること。
• 鏡面反射およびラムベルト反射を含む、直接光子および反射光子の光収集効率を推定するための解析的モデルを適用すること。
• 繊維長、数値的開口率、シンチレーター厚さに基づく時間スプレッドの式を導出し、時間分解能を予測すること。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、直接光子および反射光子のパルス波形と時間スプレッドをモデル化し、確率的発光効果を含めること。
• ALICE実験のV0+検出器の実験的プロトタイプを用いて、結果を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クリア繊維マトリックス設計は、大面積シンチレーター検出器において、200 ps未塔の時間分解能を達成しつつ、振幅均一性を維持できるか？
• RQ2 繊維密度および繊維タイプ（シングルクラッド対マルチクラッド）は、時間スプレッドおよび光収集効率にどのように影響するか？
• RQ3 反射メカニズム（鏡面対拡散）は、繊維読み出し系における時間分解能およびパルス波形にどのような影響を及えるか？
• RQ4 繊維長および数値的開口率は、収集光子の時間スプレッドにどのように影響するか？
• RQ5 直接接触または従来の光ガイドと比較して、表面均一性はどの程度向上できるか？

主な発見

• 直接光子の時間スプレッドは112 psと推定され、解析式およびシミュレーション結果とよく一致している。
• 時間スプレッドは主に繊維長および数値的開口率に支配されており、シングルクラッド繊維は0.02の係数（マルチクラッドでは0.03）を示し、より優れた時間性能を実現する。
• 直接光子のみと比較して、直接および反射光子を含めた場合、小径の横方向シンチレーター寸法では光収集効率が3倍に向上する。
• 直接繊維接触と比較して、影領域を低減し、特に中間のプラスチック層または集光器を用いることで表面均一性が向上する。
• シミュレーションでは、2度反射光子は約400 ps遅延し、これはシンチレーター厚さに対応し、パルステールに寄与する。
• ALICE V0+検出器のプロトタイプ設計は、解析的予測と実験結果の間で定性的に整合性を示している。