[논문 리뷰] Technical design report for the endcap disc DIRC $^{*}$

Fabrizio Davı́, W. Erni외 465명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 37인용 수 5

한 줄 요약

이 기술 설계 보고서는 FAIR의 PANDA 실험을 위한 입자 식별 검출기인 PANDA 엔드캡 디스크 DIRC에 대해 기술한다. 이 시스템은 입자에서 발생하는 츄레노프 광자를 검출하기 위해 굴절 및 집광 광학을 사용한다. MCP-PMT, 고유의 ROM, 질소 기체 정화를 통해 습도를 낮추는 방식을 채택하여 기계적으로 견고하고 유지보수가 불필요한 설계를 실현하였으며, 고자기장 환경에서 고속 작동에 최적화되어 있다. 이로 인해 높은 편리-카이온 분리 성능을 달성하였다.

ABSTRACT

PANDA (anti-proton annihiliation at Darmstadt) is planned to be one of the four main experiments at the future international accelerator complex FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) in Darmstadt, Germany. It is going to address fundamental questions of hadron physics and quantum chromodynamics using cooled antiproton beams with a high intensity and and momenta between 1.5 and 15 GeV/c. PANDA is designed to reach a maximum luminosity of 2 × 10$^{32}$ cm$^{−2}$ s. Most of the physics programs require an excellent particle identification (PID). The PID of hadronic states at the forward endcap of the target spectrometer will be done by a fast and compact Cherenkov detector that uses the detection of internally reflected Cherenkov light (DIRC) principle. It is designed to cover the polar angle range from 5° to 22° and to provide a separation power for the separation of charged pions and kaons up to 3 standard deviations (s.d.) for particle momenta up to 4 GeV/c in order to cover the important particle phase space. This document describes the technical design and the expected performance of the novel PANDA disc DIRC detector that has not been used in any other high energy physics experiment before. The performance has been studied with Monte-Carlo simulations and various beam tests at DESY and CERN. The final design meets all PANDA requirements and guarantees sufficient safety margins.

연구 동기 및 목표

• FAIR의 PANDA 실험을 위한 고성능, 유지보수가 불필요한 입자 식별 시스템을 설계하기 위해.
• 굴절 및 집광 광학을 사용한 디스크형 DIRC를 통해 정확한 편리-카이온 분리를 달성하기 위해.
• 고자기장 환경에서 장기적인 안정성과 방사선 내성 확보를 위해.
• 검출기 접근성과 냉각에 영향을 최소화하면서 PANDA 엔드캡에 검출기를 통합하기 위해.
• 감도가 높은 광학 부품을 습기와 탈가스로부터 보호하기 위해 드라이 질소 기체 시스템을 구현하기 위해.

제안 방법

• DIRC는 융합 실리카 레이디에이터 디스크와 집광 광학을 사용하여 츄레노프 광자를 MCP-PMT로 유도한다.
• 각 사분면은 정렬 안정성을 확보한 견고한 유닛으로 구성되며, 통합된 ROM(수신 모듈) 케이스를 내장하고 있다.
• 안정화 크로스를 따라 3 mm 튜브를 통해 질소 기체가 유량되어 광학 부품 주변의 습도를 낮춘다.
• 고압 및 저압 전원 케이블, 데이터 파이버, 냉각선은 200 mm의 z-간격을 확보한 구조적 케이블 트레이를 통해 배치된다.
• 프런트엔드 전자기기(FEE)는 탈가스 및 열 부하를 줄이기 위해 ROM 케이스 외부에 설치된다.
• 장기 정지 기간 동안 MCP-PMT 및 ROM의 모듈식 교체가 가능하도록 설계되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PANDA 실험의 고자기장 환경에서 작동하는 고정밀, 유지보수가 불필요한 DIRC는 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 감도가 높은 융합 실리카 광학 부품을 습기와 탈가스로부터 보호하기 위해 최적의 기계적 및 기체 정화 구성은 무엇인가?
• RQ3 고압, 데이터, 냉각 케이블의 통합은 기계적 안정성이나 접근성에 영향을 주지 않도록 어떻게 실현할 수 있는가?
• RQ4 모든 광학 부품 주변의 낮은 수분 환경을 유지하기 위해 필요한 기체 유량과 분포는 무엇인가?
• RQ5 전체 검출기 분해 없이도 MCP-PMT와 같은 핵심 부품의 향후 교체가 가능하도록 시스템은 어떻게 설계할 수 있는가?

주요 결과

• PANDA 엔드캡 디스크 DIRC는 각 사분면에 96개의 MCP-PMT와 96개의 ROM을 내장한 견고하고 정렬 안정성 확보된 유닛으로 설계되었다.
• 각 사분면당 몇 리터의 기체 유량을 유지하는 드라이 질소 기체 시스템이 광학 부품 주변의 낮은 수분 환경을 유지한다.
• 전체 케이블 횡단면적은 10,100 mm²이며, 고압, 저압, 데이터, 기체, 냉각, 레이저 라인에 전용 루트가 확보되어 있다.
• FEE는 광학 부품의 탈가스 및 열 부하를 최소화하기 위해 ROM 케이스 외부에 위치되어 있다.
• MCP-PMT 및 ROM의 모듈식 교체가 가능하나, MCP-PMT 교체를 위해서는 전체 EDD 제거가 필요하다.
• 단일 고장 난 MCP-PMT로 인한 심각한 성능 저하가 예상되지 않도록, 고속, 고자기장 조건에서 유지보수가 불필요한 운영이 가능하도록 설계되었다.