[论文解读] 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 9

一句话总结

本论文提出了一种用于液氩（LAr）中高纯锗（HPGe）探测器的低本底反康普顿 veto 系统，采用波长位移（WLS）纤维耦合硅光电倍增管（SiPMs）读出闪烁光。该系统对²²⁶Ra 和 ²³²Th 源的抑制因子分别达到 11.8–14.6 和 177，性能与传统 PMT 系统相当，并成功检测到 ²¹⁴Bi–²¹⁴Po 延迟符合事件，实现了额外的本底抑制。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可在液氩中直接运行的低本底、紧凑型 HPGe 探测器反康普顿 veto 系统。
• 通过使用 SiPM 与 WLS 纤维，克服传统 PMT 在低温、超低本底环境中的局限性。
• 在真实 LAr 环境中，证明该系统对 ²³²Th 和 ²²⁶Ra 源背景事件的有效抑制能力。
• 验证在 GERDA 等实验中，通过 ²¹⁴Bi–²¹⁴Po 延迟符合事件实现额外本底识别的可行性。

提出的方法

• 使用真空蒸镀 TPB 涂层的 WLS 纤维构建了定制光探测器，将闪烁光移至可见光波段。
• WLS 纤维连接至位于杜瓦外的 SiPM，信号通过 50 Ω 同轴电缆传输。
• 系统在 600 L 液氩杜瓦中进行测试，HPGe 探测器悬挂在中部高度。
• 放射性源（²³²Th 通过含钍焊条，²²⁶Ra 通过裸金属板）置于 HPGe 探测器下方 1 cm 处，模拟本底污染。
• 数据获取采用脉冲触发与 25 MHz 采样，记录 665 μs 的波形，可分析伽马触发后延迟的 α 事件。
• 通过识别 HPGe 触发后 628 μs 内 SiPM 信号多道高多重性（>4 通道，>20 p.e.）实现延迟符合分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于 WLS 纤维与 SiPM 的系统是否能在液氩中实现与 PMT 系统相当的本底抑制性能？
• RQ2 在真实 LAr 环境中，该 WLS 纤维–SiPM 配置对 ²³²Th 和 ²²⁶Ra 源的抑制因子是多少？
• RQ3 能否可靠检测 ²¹⁴Bi–²¹⁴Po 延迟符合事件，以实现额外的本底抑制？
• RQ4 与液态涂层相比，WLS 纤维上真空蒸镀的 TPB 涂层是否提供更优的性能与耐久性？
• RQ5 仅使用纤维而无反射箔时，有效探测体积与本底抑制效率是多少？

主要发现

• 在 2039 keV 能区，²³²Th 的抑制因子达到 177 ± 33，表明具有强大的本底抑制能力。
• 对于 ²²⁶Ra，2039 keV 能区的抑制因子为 11.8 ± 1.2，脉冲接受率为 95.2%，证实了高探测效率。
• 在 ²¹⁴Bi 伽马衰变后，α 事件的时间分布显示半衰期为 164.5 ± 4.5 μs，与 ²¹⁴Po 的 164 μs 半衰期一致。
• 成功演示了 ²¹⁴Bi–²¹⁴Po 延迟符合事件的检测，为本底抑制提供了潜在的新通道。
• 真空蒸镀的 TPB 涂层在 WLS 纤维上表现出更优的质量，且未对纤维造成损伤，优于液态涂层方法。
• 抑制因子与 PMT 系统的最佳结果兼容，证实了 WLS–SiPM 方法的可行性。