文摘
水性液体闪烁体(WbLS)是一种新材料正在开发中。它是基于的想法使用特殊表面活性剂溶解在水中有机闪烁体。这种材料力求实现新型检测技术相结合的切伦科夫戒指和闪烁光,以及减少总成本比纯液体闪烁体(LS)。独立光收益率测量分析收益率测量使用三种不同的质子束能量(210伏,475伏,2000伏)的水,两个不同WbLS配方(0.4%和0.99%),和纯LS布鲁克海文国家实验室进行的,美国。结果表明,~ 100的目标光学光子/兆电子伏,仿真表明是一个最佳光产生观察切伦科夫环和闪烁光质子衰变的一个大型水探测器,已经实现了。
1。动机
在大型水探测器,切伦科夫辐射产生的带电粒子高于阈值可用于粒子识别和重建的方向和能源(1]。然而,所有带电粒子切伦科夫阈值以下是错过了。检测这些below-threshold粒子对各种应用程序很重要,例如,在质子衰变的搜索通道,主要是下面的切伦科夫阈值检测器,是无形的水。使用WbLS使k中介子可见光和允许的分离,,信号使用时间,从而减少的背景衰减通道。同样的quasielastic碰撞等大型水性中微子探测器超级Kamiokande探测器(1与质子)通常被切伦科夫阈值以下,从而不可见。
LS或WbLS,各向同性的闪烁光产生的带电粒子通过电离能量沉积,但切伦科夫环闪烁体组件可能会干扰检测。检测和保护环切伦科夫,MC研究表明,光收益率(LY)中的闪烁体组件WbLS光学光子/兆电子伏[应该是1002]。
因此,WbLS可能结合切伦科夫环和闪烁灯功能。它可以保持粒子的粒子识别上面切伦科夫阈值和检测阈值下的带电粒子通过闪烁的光。此外,WbLS特性更低的成本比纯LS是安全处理(3]。
能够达到所需的供应可以检查使用单色的质子束WbLS浓度不同。的测试中,这两种不同WbLS配方(0.4%和0.99%),纯净水和纯LS样本,选择。使用了三种不同的质子束能量与每个样本。能量的选择来自以下注意事项:(我)2000伏质子像最小电离粒子(MIP);(2)475伏质子略低于水的切伦科夫极限;(3)210伏质子一样~能量沉积从上面提到的质子衰变信道。
2。实验装置
实验设置用于质子束测试如图1。两个浴缸使用的样本(T1和T2)。三个2厘米×2厘米和5毫米厚塑料闪烁体描迹仪使用(H1 H3)束触发是由H1和H2的巧合。H3是为了验证粒子是否退出T2。
2.1。浴缸和信号读出描述
两个浴缸使用的实验:(我)T1的聚四氟乙烯(PTFE)(白色,高度反光的),(2)从铝T2,涂上黑色的聚四氟乙烯(非常低的反射率)。
T1允许捕获产生的大部分光在浴缸里(~光产生在浴缸里)总数的75%,而T2允许观察直接从闪烁的光线没有多个壁反射(~ 10%),涂有黑色物质在里面。一桶的形象图2。T1和T2有相同的维度:(我)盖子是19.05毫米厚;(2)墙和底部是6.35毫米厚;(3)内心的高度和直径是150毫米。
详细设置读出方案如图3。浴缸(和描迹仪)宣读了滨松光子学(4]R7723 2′′光电倍增管(PMT)。对紫外线透明丙烯酸窗口被用作分区PMT和液体在浴缸里。窗户被突兀的盖子,液体由几个毫米,以确保没有气泡表面。
一个读出是由4-channel 14-bit卡昂(5]V1729A flash模拟-数字转换器(FADC)。所有浴缸信号通过一个变量连接到FADC衰减单元(菲利普斯科学(6]804)和一个变量放大器单元(菲利普斯科学778)有两个相同的输出。T1和T2读数,获得被设定~ 2 x的值。第一个输出放大器FADC,每个桶的专用通道。第二个输出每个放大器通道用于单一光电子(PE)校准。获得第二放大阶段是~ 10倍。
所有描迹仪也通过x ~ 2增益放大器连接,允许输出信号分成两个。H1和H3共享相同的FADC通道与后者信号被200纳秒延迟。H2是连接到最后FADC的通道。
2.2。触发方案
触发模式实现了使用三个2厘米×2厘米,5毫米厚塑料闪烁体计数器读出的2′′pmt通过空气波导来移除pmt从直接光束曝光。front-most和中间的计数器的信号(H1和H2)被用来形成一束触发,显示在图3。
2.3。质子Beamline描述
一束质子测试是由美国宇航局太空辐射实验室(国家)设施BNL [7]。如上所述,这三个质子束的能量使用:210伏,475伏,和2 GeV。梁有以下主要特点:(我)强度是~ 1/群;(2)梁尺寸是1厘米×1厘米2 GeV×5.4厘米和5.4厘米在210伏;(3)0.4年代泄漏每~ 4秒。
3所示。数据分析
3.1。液体测量
表面活性剂(线性烷基苯磺酸,拉斯维加斯)是用来溶解1,2,4-trimethylbenzene,或三甲基苯(PC),这是一种常见的LS材料,在水里。5-diphenyloxazole PPO(2)和MSB (1, 4-Bis (2-methylstyryl)苯)萤石和波长移装置用于减速LS的紫外线光谱的蓝色区域,水具有较高的透明度。更多细节可以在[3]。
4样品的组成进行这个实验如下:(我)(纯化水);(2)WbLS1: 0.4% pc + 0.4 g / L PPO + 3 mg / L MSB +表面活性剂在水中;(3)WbLS2: 0.99% pc + 1.36 g / L PPO + 7.48 mg / L MSB +表面活性剂在水中;(iv)LS:实验室+ 2 g / L PPO + 15 mg / L最高有效位。
3.2。波形分析
PMT作为获取信号波形的一个示例如图4。总收购窗口是2560箱/事件每本1 ns宽;事先已知信号的近似位置。300 ns窗口(中央一个图中,红色和蓝色线)之间的用于获取集成信号区域求和。每个点从平均减去基线达到积极的总和。一个典型的信号小于选择窗口宽度;然而,有一个小的定时信号传播,我们想确保信号的整个区域被集成。选择窗口的大小是相同的所有样品和测量。
一个基线的平均价值被定义为所有的点在第一个集成窗口(两个红线)50 ns宽。一个典型的基线如图5。检查基线质量,其平均价值与postsignal窗口的平均值(两个蓝线之间)。这种区别如图6。事件与这种差异大于~ 20 ADC垃圾箱被标记为坏。这允许的去除噪声事件或事件与坏基线由于转移信号或多粒子事件。此外,比较的基线平均窗口在最开始的波形(ns 10到40 ns,不是因为图是围绕着信号区域)是用于一般使用上述标准基线质量检查。
综合区域总电荷的测量可以转换为PE收益率使用单一PE pmt的校准。这允许测量信号的描述独立的硬件通道之间的区别。
触发器信息保存的数据。这允许脱机使用触发需求后在分析阶段。
3.3。单光电子校准
一个体育进行了校准对T1和T2信号通道的尽头梁运行测试。引发这场校准由鉴别器连接到第二放大器的T1和T2信号(分别为每一个渠道,见图3)。鉴频器设置为单一PE振幅,允许更好的体育比使用纯随机触发信号检测效率。此外,这迫使PE FADC输出的信号到信号窗口区域的简化分析和消除部分捕获信号。请注意,PE信号越来越低振幅/区域多光束信号通常是许多PEs,根据一些到达时间分布;因此较小的集成窗口是用来减少噪声对清洁校准(50 ns代替300 ns)。
校准信号区域ADC垃圾箱,ADC对T1和T2垃圾箱,分别(PE信号窗口内的总结,所以ADC本单位仍在使用)。特别注意被验证此方法收益率相同的校准值,使用发光二极管(LED)计划。,校准使用上述方案和运行用领导的暗脉冲相互比较。LED光级仅选择这样差不多的事件单PE信号以确保这些确实是单光子探测响应。
3.4。数据质量的选择
完成了数据质量检查作为一个单独的步骤前的数据进行了分析。是小心选择标准不引入一种偏见的选择。这些都是(我)离线双触发要求H1和H2高于~ 50 mV,在预期的时间窗口;(2)基线质量检查中概述部分3所示。2;(3)ADC饱和检查H1和H2。
每个检查的目的是消除潜在的噪音或多个粒子在一个事件。饱和检查表明,一些粒子通过描迹仪在同一束泄漏,很少发生在光束强度使用。
3.5。光产生结果
对于每一个样本和能源,直方图计算信号的区域。高斯适合使用本方法然后执行可能性。安装在两个步骤。首先,高斯拟合在一半的最大峰值之间的范围值获得第一个近似的峰值位置。然后,在发现意味着符合1,1.5,2σ。这样做是为了估计的不确定性信号宽度限制添加到安装的意思。这是因为有第二个峰主的权利,从第二个粒子,很少通过浴缸在相同的触发时间。图7显示了1.5σ的第一个粒子峰,和第二个粒子峰是可见的。这个情节是ADC垃圾箱清晰;单PE校准将应用于所有进一步的情节。
所有的样品的数据和所有能量以同样的方式处理。情节在图8和9表明,PE的光产生结果,不同的样本和光束能量对T1和T2,分别。注意,光为LS屈服值减少了对这些情节30倍。此外,数据点为LS 210伏T1是不会显示在进一步的阴谋,因为读出饱和由于大光产生的闪烁体在这个能量。同样,水数据没有显示T2由于对质子能量很低的信号低于切伦科夫极限。
3.6。能量沉积
为了评估每个样本的PE /光兆电子伏收益率,能量沉积在每个样本是必需的。两种方法被用于这一目的。第一个使用GEANT4模拟质子束的最可能沉积的均值1000运行在每个能量。第二个是一个简化的代码(8),计算出质子能量损失沿一条直线路径通过浴缸和描迹仪与小的步骤,使用质子阻止本领和范围(PSTAR)表从国家标准与技术研究所(NIST)。WbLS被建模为水和甲苯LS。
产生的能源表列出了口供1。值取自GEANT4仿真结果,两种方法之间的区别是作为值的不确定性。的光产生的数据转换为PE /兆电子伏如图10T1和图11对T2。
我们看到,PE /兆电子伏光产生的质子能量是相同的LS 475 GeV和兆电子伏在两个浴缸,表明LS的切伦科夫光的贡献可以忽略不计。不一样的WbLS之间有一个显著的供应变化这两个能量。然而,475伏,几乎没有切伦科夫光贡献总LY(表示的很少量的这种能量的光在水中在T1)。因此,我们可以使用的数据在这个能源LS WbLS比较和获取WbLS的闪烁体组件的供应。从数据,数据12和13显示WfbLS信号比LS为T1和T2信号质子能量的475伏,和相同的比率为T2只有210伏(由于饱和LS在T1信号能量,它不是用于分析)。
3.7。光产生光子/兆电子伏
LY光子/兆电子伏的估计也是可能的。这里的校准需要估计的效率从T1和T2 PMT读数。通常,这是一个艰巨的任务进行准确地说,这两个简单的方法被用来做估算。
第一种方法是基于光子的LY LS是10 k光子/兆电子伏MIP信号(9]。因为质子在2 GeV一样~/MIP,这LY值可以用来获取每个浴缸的近似效率(例如,PE光子转换)WbLS数据。第二个可以用于T1只检查第一个方法的有效性。的区别方法是添加到总结果的不确定性。
正如上面提到的,第二个方法T1的效率做了检查。我们可以使用2 GeV质子水数据读出效率;首先,我们需要试着估计在水中使用产生的质子的数量(1),通常用于估计切伦科夫辐射的光子LY在水中如下:
的平均折射率光学范围,和和已从PMT敏感数据。为了更好地估计,T1 PMT的灵敏度范围分为许多小的子范围~恒定灵敏度。对于每个子范围的结果加权灵敏度的范围和结合到一个更好的估计。然后,效率校准。
使用的结果校准PE光子转换,现在2 GeV质子LS数据用于比较体育的数量所产生的第二个方法价值作为一个基地,第一个方法(10000光子/兆电子伏)。结果是非常接近9713光子/兆电子伏的LS使用效率从T1的切伦科夫光。
最后估计结果WbLS数据给出的数据14和15分别对T1和T2。从这些数据可以看出,估计表明,大约100个光子/兆电子伏的目标已经达到使用WbLS2样本,和不同的供应可能通过调整浓度。
3.8。分类学
已确定系统的影响。其影响已经占了所有的结果。
在实验过程中,浴缸样本必须断开连接,改变了。影响偏置打开和关闭的PMT和暴露的PMT断开测试期间的环境光。有一些小变化PMT噪音和增益偏差小于2分钟后打开之前是达到稳定状态。通常,至少有一个5 - 10分钟的间隔安装新样本beamline和数据(光束优化过程所需的时间),从而大大减少这种影响数据的影响。此外,一个非常小的变化在每个稳态之间获得指出;这种变化已经添加到单PE校准的不确定性。
长期稳定的单一研究了PE校准单独使用的数据在运行450小时。LED校准2 h的整个运行期间收集和由此产生的校准变化(~ 1%)被添加到单PE校准的不确定性。
对结果的影响由于拟合过程中描述的部分3所示。5。
另一个系统的影响来自窗口大小选择过程描述的波形分析部分3所示。2。集成优化窗口大小必须适合所有信号宽度从样本数据收集。如果窗口太窄了一些信号集成可能会丢失,如果太大,太多的噪音将会被集成在一起的信号,可能添加一个非零的贡献由于一些噪音不是随机的。进行了全面研究,以确定窗口大小(300 ns)的影响,这个选择在安装方式为每个样本。效果是小(这种效应的最大贡献是不到~ 0.5%的样本,而它正在为其他更小),占总配合的不确定性与不确定性估计由于拟合过程。
4所示。结论
水的供应,纯LS,和两个配方的WbLS衡量成功。WbLS样品产量的0.99%1%的纯LS,暗示100光子/兆电子伏的目标已经实现,假设的典型LY LS 10000光学光子每兆电子伏。因此,WbLS满足的要求,,检测是可以伪造的。结果也说明了不同的供应可以很容易地通过调整浓度WbLS组件。
下一个实验,让分离的切伦科夫和闪烁光在WbLS已经进行了数据分析。此外,纳扎尔巴耶夫大学工作计划开展WbLS配方的组成的优化。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
作者感谢BNL电子探测器小组与他们工作的机会在这个实验。也感谢化学群m .叶博士BNL化学部门。