[論文レビュー] The Ring Imaging Cherenkov detector (RICH) of the AMS experiment

F. Barão, M. Aguilar Benitez+38 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2006

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

AMS RICH検出器は、1.05の屈折率を有するアルゴンレート放射体と、フォトマルチプライヤーを用いた光子検出を組み合わせたプロキシミティ焦点リングイメージング・チェレンコフ技術を用い、粒子の速度と電荷を測定する。158 GeV/cのInイオンを用いたビーム内テストにより、単一電荷粒子に対して0.1%の速度分解能を達成し、鉄にまで及ぶ電荷分離が確認され、宇宙線物理学における宇宙船搭載用の設計が妥当であることが検証された。

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.

研究の動機と目的

• 国際宇宙ステーションにおける宇宙線研究のため、高精度な粒子速度および電荷測定を可能にする。
• 同位体分離およびダークマター探索を支援するため、単一電荷粒子に対して0.1%の相対的エネルギー分解能を達成する。
• 宇宙線の伝播および銀河内輸送メカニズムの理解を目的として、鉄（Z = 26）までの電荷分解能を実現する。
• 質量、消費電力、材料の制約が厳しい条件下で、軽量で低消費電力のRICH検出器をAMS分光計に統合する。
• 打ち上げ統合の前段階として、プロトタイプRICH検出器の性能をイオンビームデータを用いて検証する。

提案手法

• 断頭円錐形幾何構造を有するプロキシミティ焦点リングイメージング・チェレンコフ（RICH）設計を採用し、二重固体放射体（アルゴンレートとNaF）を用いる。
• 680セルのマルチピクセルフォトマルチプライヤー読み出し素子を用い、12ビットADCによるデジタル化と低消費電力のフロントエンド回路で光信号処理を実施する。
• 高い反射率を有する円錐形ミラーを導入し、受光効率と受光効率を向上させる。
• 96チャネルのプロトタイプRICHを用い、可変な展開高さと可変なアルゴンレート試料を用いて、ビーム条件下での性能テストを実施する。
• 速度および電荷の二重独立再構成手法を採用し、ダイナミックレンジおよび光電子感度に最適化された信号処理を実装する。
• Pb標的に衝突させた158 GeV/c/nucのInイオンを用いたビーム内テストにより、断片化イオン（Z < 49）を生成し、検証を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スペースベース環境下で、RICH検出器は単一電荷粒子に対して0.1%の相対的エネルギー分解能を達成できるか？
• RQ2 RICHは、宇宙線同位体組成測定に十分な精度で、鉄（Z = 26）までの電荷を分解能を有するか？
• RQ3 どのアルゴンレート放射体特性（屈折率、透明度、厚さ）が光子出力とリング再構成効率を最適化するか？
• RQ4 ミラーの反射率および光学的均一性が、リングイメージング性能と速度分解能にどのように影響するか？
• RQ5 プロトタイプRICHシステムは、打ち上げ統合の前段階として、実際のビーム条件下で必要な性能指標を達成できるか？

主な発見

• 1.05の屈折率を有するアルゴンレートを用いたRICHプロトタイプは、ヘリウムイオンに対して約0.45 × 10⁻³（0.045%）の相対的エネルギー分解能を達成した。
• 低Zイオンに対しては約0.15の電荷分解能が観測されたが、非均一性に起因する系統的不確実性（1.2%）が電荷に比例して増大した。
• 再構成データにおいて鉄（Z = 26）までの電荷ピークが明確に識別され、電荷分離能力が確認された。
• 最高の光出力は、屈折率1.05、透明度約0.0055 μm⁻⁴/cmを有する2003年製CINアルゴンレート試料で観測され、最終的な放射体として選定された。
• データから測定されたミラー反射率は、設計値と良好に一致し、光学的性能が確認された。
• 検出器は設計目標を満たしており、0.1%の速度分解能および鉄の電荷分離が、断片化Inイオンを用いたビーム内テストにより確認された。