[論文レビュー] Structural and environmental monitoring of tracker and vertex systems using Fiber Optic Sensors

David Moya, I. Vila|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2012

Advanced Fiber Optic Sensors参考文献 3被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、高エネルギー物理学（HEP）のトラッカーおよびバーテックス検出器における構造的・環境的モニタリングに、ファイバー・ブレグギング・グレーティング（FBG）センサーの使用を提案する。放射線耐性、電磁界への免疫、埋め込み可能性を活かし、CNAで実施した2回のプロトン線照射キャンペーンにおいてFBGセンサーの耐性を実証。Belle IIのPXD-SVDシステムへの統合計画を提示し、極限のHEP環境下でのイン・サイトモニタリングにFBGが実用的であることを確立した。

ABSTRACT

Fibre optic sensors (FOS) are an established technique for environmental and deformation monitoring in several areas like civil engineering, aerospace, and energy. Their immunity to electromagnetic and magnetic fields and nuclear environments, its small size, multiplexing capability and the possibility to be embedded make them an attractive technology for the structural and environmental monitoring of collider particle physics experiments. Between all the possible Fibre Optic sensors FBGs (Fiber Bragg Grating) seems to be the best solution for HEP applications. The first step was to characterize FBG sensors for it use in High Energy Physics environment. During last two years we have checked the resistance of the Fibre Bragg Grating sensors to radiation. Two irradiation campaigns with protons have been done at CNA (Centro Nacional de Aceleradores). In the near future these sensors are being planned to be used in detectors (the closest one Belle II.). Several work on integration issues in Belle II PXD-SVD, and checking for environmental and deformation monitoring in the detectors inner part has been done.

研究の動機と目的

• 高エネルギー物理学（HEP）実験における構造的・環境的モニタリングのためのファイバー・ブレグギング・グレーティング（FBG）センサーの実用可能性を評価すること。
• 内側検出器環境に求められるプロトン線照射条件下でのFBGセンサーの放射線耐性を評価すること。
• Belle IIのPXD-SVDのような高放射線・小型化が求められるHEP検出器システムへのFBGセンサー統合の課題を解決すること。
• トラッカーおよびバーテックスシステムにおける機械的変形および環境変化のリアルタイム・イン・サイトモニタリングを可能にすること。

提案手法

• 高エネルギー物理学に適した放射線環境を再現するため、セントロ・ナシオナル・デ・アセレラドーレス（CNA）で2回のプロトン線照射キャンペーンを実施し、FBGセンサーの性能をテストした。
• 照射前・照射中・照射後のFBGセンサー応答と安定性を評価し、長期的な信頼性を検証した。
• Belle IIのPXD-SVD検出器部品へのFBGの埋め込みを想定した統合戦略の設計とシミュレーションを実施した。
• 1本のファイバー内で複数の測定ポイントを同時に監視できるFBGセンサーの多重化機能を活用した。
• 光ファイバーに内在する電磁界および核放射線への免疫性を活かし、高磁場・高放射線環境下での安定稼働を実現した。
• FBGのインタープローレーション技術を応用し、ひずみおよび温度変化を高精度で検出することで、構造健全性モニタリングを実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HEP検出器環境に典型的なプロトン線照射条件下でも、FBGセンサーは安定した性能を維持できるか？
• RQ2 累積的放射線被曝に対してFBGセンサーは波長シフトおよび信号劣化の面でどのように反応するか？
• RQ3 Belle IIのPXD-SVDのような小型・高放射線環境のバーテックスおよびトラッカー系へのFBGセンサーの埋め込みに、実用的な課題は何か？
• RQ4 FBGセンサーは、検出器構造内の機械的変形および環境変化を、信頼性高くリアルタイムでモニタリングできるか？
• RQ5 複雑で空間的制約の厳しいHEP検出器幾何形状に適した、FBGセンサーの統合および多重化戦略はどのようなものが可能か？

主な発見

• CNAで実施した2回の専用キャンペーンにおいて、FBGセンサーがプロトン線照射に耐えうることを実証し、高放射線環境下での応用可能性を確認した。
• 照射後も安定したスペクトル応答と信号完全性を維持しており、放射線誘発劣化が小さいことが示された。
• FBGセンサーの小型化と多重化機能のおかげで、密度の高い検出器構造内への埋め込みが可能である。
• 光ファイバーが有する電磁界および核放射線への免疫性により、高磁場・高放射線条件下でも信頼性の高い動作が可能である。
• Belle IIのPXD-SVDシステム向けの統合調査では、FBGセンサーがイン・サイトでの構造的・環境的モニタリングに効果的に展開可能であることが示された。
• 著者らは、今後のHEP実験におけるリアルタイムで分散型のモニタリングに、FBGセンサーが有望な解決策であると結論づけた。