高放射線環境下での高精度な全断面積測定のための新しいTOTEM nT2検出器の設計、運用、性能

แนวคิดหลัก

TOTEM実験のために開発された新しい前方散乱検出器nT2は、高放射線環境下での迅速な設置と高性能な検出を実現するために設計された。この検出器は、プラスチックシンチレータとSiPMを使用し、高度な電子回路と制御システムを備えている。nT2は2023年のLHCの特別運転期間に正常に動作し、初期的な性能評価では高い検出効率を示した。

บทคัดย่อ

TOTEM実験は、LHCの前方散乱過程の精密測定を行ってきた。その一環として、全断面積の測定を行うために、新しい前方散乱検出器nT2が開発された。

nT2検出器の設計では、以下の制約が考慮された:

• 検出器の設置は10-20分以内に行う必要があり、その後すぐに運転を開始しなければならない
• 高放射線環境下での作業が必要なため、検出器を2つのセクション(内部と外部)に分割した
• 内部セクションは迅速に設置でき、外部セクションは後の調整が可能

nT2の基本ユニットは、プラスチックシンチレータタイルとWLS光ファイバーで構成される。これらは4層の検出層を形成し、粒子の検出と雑音抑制のための冗長性を提供する。光ファイバーはSiPMアレイで読み出され、NINO差動増幅器/ディスクリミネータチップを使ってデジタル化される。

読み出しと制御の電子回路は、CMS実験との協力の下で開発された。CMS-TOTEM汎用デジタイザボードに搭載されたSoC FPGAが、イベントビルディング、データバッファリング、デバイス制御などの機能を担う。

nT2は2023年6月のLHC特別運転期間に正常に動作し、初期的な性能評価では高い検出効率(中央値98.6-99.7%)を示した。データ解析は現在進行中であり、最終的な性能評価と物理解析が行われる予定である。

สถิติ

検出器の設置時間は10分以内
検出効率の中央値は98.6-99.7%

คำพูด

"検出器の設置は10-20分以内に行う必要があり、その後すぐに運転を開始しなければならない"
"高放射線環境下での作業が必要なため、検出器を2つのセクション(内部と外部)に分割した"

ข้อมูลเชิงลึกที่สำคัญจาก

The TOTEM nT2 detector: architecture, operation and performance

by Edoardo Boss... ที่ arxiv.org 10-01-2024

https://arxiv.org/pdf/2409.20093.pdf

สอบถามเพิ่มเติม

nT2検出器の設計における主要な技術的課題は何か?

nT2検出器の設計における主要な技術的課題は、厳しい放射線環境と短い設置・運用時間に対応することでした。具体的には、LHCの特別運転中に、検出器を10〜20分以内に設置し、その後数日で運用を開始する必要がありました。このため、nT2は、放射線耐性を持つシステム・オン・チップ（SoC）FPGAを使用して、フロントエンド、データ収集（DAQ）、および制御電子機器を故障耐性のあるアーキテクチャで設計しました。また、検出器は、プラスチックシンチレーターとシリコンフォトマルチプライヤ（SiPM）を組み合わせた技術を採用し、設置の迅速化とメンテナンスの容易さを考慮して、モジュール化された構造を持っています。これにより、放射線シールド内の内側部分を迅速に設置し、外側部分は後からアクセス可能にすることで、作業環境の安全性を確保しました。

nT2検出器の性能向上のためにどのような改善策が考えられるか?

nT2検出器の性能向上のためには、いくつかの改善策が考えられます。まず、シンチレーターの材料や形状を最適化することで、光の収集効率を向上させることができます。特に、波長シフターファイバーの配置やサイズを調整することで、光の減衰を最小限に抑えることが可能です。また、SiPMのバイアス電圧の調整や、NINOチップの閾値設定をより精密に行うことで、信号の検出感度を向上させることができます。さらに、データ解析において、ノイズ抑制のための時間測定を活用したアルゴリズムの改良や、複数の検出器間でのデータ融合を行うことで、全体の検出効率を高めることが期待されます。これらの改善策を通じて、nT2検出器はより高精度なデータ収集が可能となり、TOTEM実験の物理プログラムに貢献することができるでしょう。

nT2検出器の開発と運用における、CMS実験との協力の意義はどのようなものか?

nT2検出器の開発と運用におけるCMS実験との協力は、いくつかの重要な意義を持っています。まず、CMSのインフラストラクチャを活用することで、nT2の読み出しおよび制御システムの設計が効率化され、開発コストを削減することができました。具体的には、CMS-TOTEM精密陽子スペクトロメーター（CT-PPS）プロジェクトの一環として、CMSのタイミングシステムからの電子機器を再利用し、nT2の要件に適応させることができました。この協力により、nT2はCMSの制御およびデータ収集システムとシームレスに統合され、運用の効率が向上しました。また、CMSとの連携により、技術的な知見や経験を共有することができ、nT2の設計や運用における課題解決が迅速に行われました。これにより、nT2は特別運転中に成功裏に運用され、TOTEM実験の物理的な成果に寄与することができました。