[论文解读] Benchmarking TPB-coated Light Guides for Liquid Argon TPC Light Detection Systems

Brian J. Baptista, L. Bugel+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2012

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 15被引用 16

一句话总结

本文对液氩时间投影室（LArTPCs）中的四苯基丁二烯（TPB）涂层光导进行了基准测试，表明UVT丙烯酸基涂层在10 cm处可实现约21.9个光电子（PE），是此前报道结果的三倍，显示出优异的闪烁光探测性能。该研究比较了TPB涂层在UVT丙烯酸与聚苯乙烯基质上的表现，结果表明两者在液氩中性能相似，并为未来LArTPC实验的精确模拟建模提供了数据支持。

ABSTRACT

Scintillation light from liquid argon is produced at 128 nm and thus must be shifted to visible wavelengths in light detection systems used for Liquid Argon Time Projection Chambers (LArTPCs). To date, designs have employed tetraphenyl butadiene (TPB) coatings on photomultiplier tubes (PMTs) or plates placed in front of the PMTs. Recently, a new approach using TPB-coated light guides was proposed. In this paper, we show that the response of lightguides coated with TPB in a UV Transmitting (UVT) acrylic matrix is very similar to that of a coating using a polystyrene (PS) matrix. We obtain a factor of three higher light yield than has been previously reported from lightguides. This paper provides information on the response of the lightguides so that these can be modeled in simulations for future LArTPCs. This paper also identifies areas of R&D for potential improvements in the lightguide response

研究动机与目标

• 评估并基准测试TPB涂层光导在液氩中用于LArTPC光探测系统的表现。
• 比较TPB涂层在紫外透过（UVT）丙烯酸与聚苯乙烯基质上在液氩条件下的响应性能。
• 为未来LArTPC探测器设计提供可测量、可直接用于仿真的光导衰减与光产额数据。
• 识别提升液氩中光导效率与响应均匀性的关键研发方向。
• 验证一种考虑角度依赖性和表面效应的射线追踪模型，用于描述光导中的非指数衰减行为。

提出的方法

• 使用UVT丙烯酸和聚苯乙烯棒材制备光导，并采用UVT33%和PS25%配方的TPB进行涂层处理。
• 利用脉冲紫外LED光源和校准后的光电倍增管（PMT），在棒材不同距离处测量光产额，记录光电子（PE）输出。
• 在空气和液氩中均进行衰减测量，以评估波长依赖性和角度依赖性损耗。
• 采用具有可调表面吸收系数（每次反射3%）的射线追踪模型，模拟光传播与非指数衰减行为。
• 使用指数模型与非指数模型拟合衰减数据，后者与实验结果更吻合。
• 使用单色LED覆盖TPB发射光谱范围，以波长函数形式调节表面吸收系数。

实验结果

研究问题

• RQ1 TPB涂层UVT丙烯酸光导在液氩中的光产额与聚苯乙烯涂层光导相比如何？
• RQ2 TPB涂层光导在液氩中的有效衰减长度是多少？其衰减是否符合指数衰减模型？
• RQ3 一种结合角度依赖性与表面吸收效应的射线追踪模型，能否准确预测实验中观察到的非指数衰减行为？
• RQ4 TPB涂层光导在10 cm处的总光电子（PE）产额是多少？与先前报道值相比如何？
• RQ5 空气与液氩中折射率差异及表面粗糙度对光导性能与衰减的影响如何？

主要发现

• TPB涂层UVT丙烯酸光导在10 cm处实现了21.9 PE的总光电子产额，相比先前报道结果提升了三倍。
• PS25%聚苯乙烯涂层在空气中传输性能略优，但在液氩中性能与UVT33%丙烯酸相当，其中UVT丙烯酸的响应高出约1.3倍。
• 液氩中的衰减数据显著偏离指数拟合，最佳拟合得到的衰减长度为44 cm（包含10 cm点）和79 cm（不包含10 cm点），表明存在非指数行为。
• 采用每次反射3%表面吸收系数的射线追踪模型，相比简单指数拟合，与实验数据吻合更好，尤其因考虑了光线的角度依赖性。
• 在TPB发射光谱范围内平均后，波长依赖性衰减对整体预测结果影响可忽略，验证了模型的鲁棒性。
• 在光导波长尺度以上的表面粗糙度影响较小，而亚波长尺度粗糙度则被整合进表面吸收系数中。