[论文解读] Performance of Wavelength-Shifting Fibers for the Mu2e Cosmic Ray Veto Detector

G. DeZoort, E. C. Dukes+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2015

Particle Detector Development and Performance被引用 4

一句话总结

本研究评估了波长位移（WLS）纤维在Mu2e宇宙射线屏蔽系统（CRV）中的应用，采用定制光纤扫描仪测量光产额与衰减特性。结果表明，1.4 mm和1.8 mm直径的Kuraray Y11 WLS纤维相较于1.0 mm纤维分别实现约2倍和3倍的光产额提升，且在520–600 nm波段的衰减长度超过10 m，显著优化了粒子物理实验中长路径闪烁体读出系统的高屏蔽效率性能。

ABSTRACT

The Mu2e experiment will search for a neutrino-less muon-to-electron conversion process with almost four orders of magnitude of sensitivity improvement relative to the current best limit. One important background is caused by cosmic ray muons, and particles produced by their decay or interactions, mimicking the conversion electron signature. In order to reach the design sensitivity, Mu2e needs to obtain a cosmic ray veto (CRV) efficiency of 99.99\%. The CRV system consists of four layers of plastic scintillating counters read out by silicon photo-multipliers (SiPM) through wavelength shifting fibers. The CRV counters must produce sufficient photo statistics in order to achieve the required veto efficiency. We study the light properties of several wavelength shifting fiber sizes in order to optimize the total light yield for the CRV system. The measurements are performed using a scanner designed to ensure fiber quality for the CRV.

研究动机与目标

• 优化Mu2e宇宙射线屏蔽系统（CRV）中波长位移（WLS）纤维的光产额与衰减特性。
• 确保CRV系统中纤维的质量与一致性，该系统需实现99.99%的屏蔽效率以抑制宇宙射线μ子本底。
• 利用定制扫描仪测量并比较不同WLS纤维直径（1.0、1.4、1.8 mm）的光产额与光谱衰减特性。
• 验证Kuraray Y11 WLS纤维（含K27荧光染料）与硅光电倍增管（SiPM）在长路径闪烁体读出中的适用性。
• 开发一种可靠的光纤扫描仪，用于CRV生产过程中的质量保证，确保数千米光纤的性能一致性。

提出的方法

• 设计了一款定制光纤扫描仪，采用直径62 cm的收卷滚筒，可处理最大直径0.2 cm的WLS纤维，且不超出最小弯曲半径限制。
• 使用蓝色LED激发WLS纤维，光输出通过大面积极大的Hamamatsu S1227-1010BR光电二极管测量绝对光产额，同时利用STS-VIS USB光谱仪测量光谱响应。
• 扫描仪采用步进电机驱动，具备可控的加速/减速功能，可在25 m长的光纤上以5 cm为间隔实现增量式测量。
• 数据采集通过Raspberry Pi远程管理，控制电机运动并存储光电二极管与光谱仪的读数。
• 光产额采用双指数衰减函数建模：$ f(x) = A e^{-x/λ_S} + B e^{-x/λ_L} $，以提取短程与长程衰减分量。
• 通过强度随距离变化的单指数拟合分析光谱衰减，以确定不同发射波长（350–800 nm）下的衰减长度。

实验结果

研究问题

• RQ1 纤维直径（1.0、1.4、1.8 mm）如何影响Kuraray Y11 WLS纤维的光产额？
• RQ2 WLS纤维在500–600 nm发射光谱范围内的衰减长度是多少？其随距离的变化规律如何？
• RQ3 沿光纤长度方向，发射光的光谱分布如何变化，特别是在500–600 nm范围内？
• RQ4 该定制光纤扫描仪能否通过光产额测量可靠检测出WLS纤维中的缺陷或非均匀性？
• RQ5 在长闪烁体计数器的SiPM读出系统中，更粗的纤维在多大程度上提升了光收集效率？

主要发现

• 1.8 mm直径的Kuraray Y11 WLS纤维光产额约为1.0 mm纤维的3倍。
• 1.4 mm纤维的光产额约为1.0 mm纤维的2倍，表明光产额存在显著的直径依赖性增益。
• 较粗的纤维（1.4和1.8 mm）表现出略优于1.0 mm纤维的衰减特性，有效降低了远距离传输中的信号损失。
• 光谱响应分析显示，短波长成分（如<500 nm）的衰减速度明显快于长波长成分（520–600 nm）。
• 520–600 nm发射波段与CRV系统中所用SiPM的峰值灵敏度波段一致，其衰减长度超过10米。
• 光纤扫描仪通过检测光产额的急剧下降及非均匀衰减，成功识别出性能受损的光纤，实现了生产过程中的有效质量保证。