[論文レビュー] Optical fiber read-out for liquid argon scintillation light

J. Janicskó Csáthy, T. Bode+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2016

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 12被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、液体アルゴン（LAr）中で高純度ゲルマニウム（HPGe）検出器を運用するための低バックグラウンドで反コンプトン遮蔽を行うシステムを提案する。波長シフト（WLS）繊維をシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）に接続してシンチレーション光を読み出す方式を採用している。この装置は、226Raおよび232Th源に対してそれぞれ11.8–14.6および177の遮蔽要因を達成し、従来のPMトランシーバー方式と同等の性能を示しており、214Bi–214Poの遅延一致事象の検出に成功し、バックグラウンド除去を強化している。

ABSTRACT

In this paper we describe the performance of a light detector for Ar scintillation light made of wavelength-shifting (WLS) fibers connected to Silicon-Photomultipliers (SiPM). The setup was conceived to be used as anti-Compton veto for high purity germanium (HPGe) detectors operated directly in liquid Argon (LAr). Background suppression efficiencies for different radioactive sources were measured in a test cryostat with about 800 kg LAr. This work was part of the R\&D effort for the GERDA experiment.

研究の動機と目的

• 液体アルゴン中で直接運用するHPGe検出器向けに、低バックグラウンドでコンactな反コンプトン遮蔽システムを開発すること。
• 超低バックグラウンド環境下での冷媒温度下における従来のPMトランシーバーの限界を克服するため、SiPMとWLS繊維を用いること。
• 実際のLAr環境下で232Thおよび226Ra源からのバックグラウンド事象を効果的に抑制できることを実証すること。
• GERDAのような実験における追加のバックグラウンド同定を可能にする214Bi–214Poの遅延一致事象の検出を検証すること。

提案手法

• 真空蒸着法でTPBをコーティングしたWLS繊維を用いて、シンチレーション光を可視光帯にシフトさせるための独自の光検出器を製作した。
• WLS繊維は、冷凍タンク外部に配置されたSiPMに接続されており、信号は50 Ωの同軸ケーブルを介して伝送された。
• 600 Lの液体アルゴン冷凍タンクを用い、高さ1 mのHPGe検出器を中央高さに吊り下げる形で実験を実施した。
• 放射性源（232Thはチタン含有溶接ロッド、226Raは金属プレート）をHPGe検出器の1 cm下に配置し、バックグラウンド汚染を模擬した。
• データ取得にはパルサートリガと25 MHzのサンプリングを用い、665 μsの波形を記録し、ガンマ線トリガ後の遅延アルファ事象の解析を可能にした。
• 遅延一致解析では、HPGeトリガ後628 μs以内に4チャンネル以上、かつ20 p.e.を超える高多重度SiPM信号を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WLS繊維とSiPMベースのシステムは、液体アルゴン中でPMトランシーバー方式と同等のバックグラウンド抑制性能を達成できるか？
• RQ2 本番のLAr環境下で、WLS繊維–SiPM構成による232Thおよび226Ra源の遮蔽要因は何か？
• RQ3 214Bi–214Poの遅延一致事象は、信頼性高く検出可能であり、追加のバックグラウンド除去に役立つのか？
• RQ4 液体系コーティングと比較して、WLS繊維に真空蒸着法でTPBをコーティングすることにより、性能および耐久性が向上するのか？
• RQ5 反射フィルムを用いない繊維のみのシステムにおける有効計測体積およびバックグラウンド抑制効率は何か？

主な発見

• 232Th源（2039 keV）における遮蔽要因は177 ± 33を達成し、強力なバックグラウンド抑制能力を示した。
• 226Ra源（2039 keV）では遮蔽要因が11.8 ± 1.2であったが、パルサートリガ受容率95.2%を示し、高い検出効率を確認した。
• 214Biガンマ崩壊後に続くアルファ事象の時間分布は、164.5 ± 4.5 μsの半減期を示し、214Poの164 μsと一致した。
• 214Bi–214Poの遅延一致事象の検出に成功し、新たなバックグラウンド抑制チャネルの可能性が示された。
• 真空蒸着法によるTPBコーティングは、繊維に損傷を与えず、液体系コーティングに比べて優れた品質を示した。
• 遮蔽要因は、PMトランシーバー方式の最高性能と同等であり、WLS–SiPM方式の実用性が確認された。