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Report on DIRC Radiator
Y. Horii, Y. Koga, N. Kiribe
April 2011
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Contents
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
2
DIRC NOTE 40 (1996)
H. Kawahara’s Report (1996)
DIRC NOTE 82 (1997)
SLAC-PUB (1997)
SLAC-PUB (1997)
DIRC NOTE 130 (2000)
DIRC NOTE 132 (2000)
DIRC NOTE 140 (2000)
SLAC-PUB (2001)
NIM (2003)
堀井
古賀
桐部
1. DIRC NOTE 40 (1996)
Blue at 442 nm
UV at 325 nm
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Bulk transmission
Quartzを透過したレーザーの強度
結果
良い透過率
セットアップ
（スキャン可）
若干の位置依存性
曲がった光路の可能性（端の方）
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Surface reflectivity
レーザーの内部表面反射率
透過率をxとすると、
セットアップ
測定したI0-4を用い、xを求める。
結果
I0-4を測定
反射率 > 99.9%
表面粗さ ~ 10Å
5
RTV coupling
RTVの屈折率がQuartzと違い、
Windowが傾くと、経路が変わり得る。
RTV: 接着用ゴム
RTVによる影響を知りたい。
セットアップ
結果
図は、空白。 文字のみ：
”No appreciable angular distortion”
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2. H. Kawahara’s Report (1996)
QuartzのSquarenessやStraightness、ミラーの角度などの影響をMCシュミレー
ションで見積もる。
結論としては・・・
non-squareness の影響が最も顕著で、補正できない効果として現れる。
他の影響に関しては無視できる。また、補正が可能。
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Particle Track
←角度の取り方
・MCシュミレーションでβ=1の粒子から出るチェレンコフ光のnominal angle とreconstructed
angleを比較
δθcのmean値とRMSをParticle Trackの角度θtrackを横軸にして値を比較する
→mean値のずれは補正可能。RMSが大きいと補正不可
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non-squareness
←Quartz製造(研磨)の方法から右のような
形は考えにくいので、左のように直角から
のずれの角度を定義
η=0.5mradの時、RMS<6 →
RMS
mean
9
表面精度
RMS<4
チェレンコフ光の反射回数に比例
してRMSは大きくなる
実際の表面精度はこれより良い
ミラー角度
RMS<1.7
ξ=1.0mradのとき
チェレンコフ光がミラーに行かない
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たるみ
δ=1.0cm歪んだ時のシュミレーションをしているが、現実的ではない
効果も小さい
結論
Quartz Bar のnon-squareness の影響が最も大きい
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3. DIRC NOTE 82 (1997)
pre-production のQuartz Bar 52本の測定結果
測定項目
・寸法
・内部反射率
・透過率
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DIRC Note#40の
測定装置で測定
寸法
特に問題なし
透過率
特に問題なし
Zygoの測定結果より良くなっていた→SLACで表面をさらに研磨したため
内部反射
#2，3で内部反射率がR<0.998
→”lobes”によるもの
47回内部反射させたレーザーの強度分布
Peak power の15%が”lobes”
52本のうち28本に”lobes”が見られた。
このセットアップでは”lobes”があると内部反射率が正確に測定できないが、”lobes”が
無いbarに関しては内部反射率も要求を満たしていた total R=0.9996±0.0001
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4. SLAC-PUB (1997)
DIRCの説明とQuartzの精度についてのまとめ
Quartzのサイズ
17mm
1225mm
35mm
これを4つつなげて長さ4900mmのbarにする
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Quartzの精度の要求
チェレンコフ光の内部反射回数が数百回にもなるため、
表面精度や面と面の平行度、直角度に厳しい制限を設ける必要がある
・表面精度
・平行度
・直角度
・エッジ
：0.5nm(RMS)
：25μm
：0.3mrad
：r< 5μm
角の半径r<5μm
325nm：1%/m
442nm:0.2%/m
・内部全反射率 ：0.99960±0.00006
・吸収
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5. SLAC-PUB (1997)
DIRC
NOTE 40
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Radiation damage



10 krad照射後に、透過率が落ちない事を確認したい。
Co60を用い、O(MeV)の光子を照射。
２つのタイプのQuartzをテスト。


Natural fused silica: 自然の粉状のQuartzから構成。
Synthetic fused silica: SiCl4などから合成。
結果
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Natural Typesは、~10 kradで
透過率が半減。
Synthetic Typesは、O(100) krad
まで問題ない事を確認。
Inhomogeneities

Heraeus Suprasilを用いた不均等性の確認
干渉によるLobes（極大部分）を見る事で、Quartzの不均一性を調査。
Ingot（素材の塊）を用いる。
レーザーを入射し、脇の点を見る。
脇の点の強度は、
典型的に真ん中の数%
結果
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Quartz構成の際、Quartzを回転させている。
円の接線上に入射した時に、脇の点が発生。
端の方に入射したときは、脇の点が出ないが、
入射角度により脇の点が出なくなる位置が異なる。
Rotation of the ingot during growth
plays a role in the formation of the LAYERS.
6. DIRC NOTE 130 (2000)
SLAC-PUB
(1997)
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Periodic structure

周期的構造の有無の確認：
セットアップ
顕微鏡に移る周期構造
左右に走る１本の黒いラインは、
スケールを表すためのワイヤー。
周期構造の存在が、再確認された。
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Comparison between QPC and Heraeus
QPCでは、脇の点の強度が真ん中の点に比べO(10-4)。Heraeusの1/100。
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Opening angle measurement
入射と透過の角度の違いを見る事で、Layer spacingやInhomogeneity amplitudeがわかる。
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7. DIRC NOTE 132 (2000)
デジタル顕微鏡を使い、Quartz barの形状が維持されているか確認。
（角が損傷されていないか、表面は平らで、各面が平行／垂直かを確認。）
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8. DIRC NOTE 140 (2001)
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Measurement of the reflection index
of EPOTEK301-2 glue
≒3m
Glueの成型
laser
・glueで作ったwedgeにレーザーを入射し、図の距離と角度を測る
ことで、325,442,543,633nmでの屈折率を測定（error ±0.005）
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Fresnel reflectivity

Fresnel theoryから反射率を入射角の関数として計算。
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Measurement of the EPOTEK301-2/ Fused
silica interface reflectivity(TE mode)
(a)
・EPOTEKで接着した石英と、接着していない石英の比を測定
することで、EPOTEK301-2/fused silica面での透過率を測定
・ EPOTEK301-2とfused silica面での反射率(relative)を測定
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Relative transmission &
Fresnel reflectivity(TE mode)
・442nmでのEPOTEK/silica面での透過率から、
EPOTEK/silica面でのフレネル反射を計算 (TE mode)
・20°以上の入射角でFresnel theoryとの相違が
みられる。（理由はわかっていない）
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9. SLAC-PUB (2001)
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Setup for study the photon background
scintillation
counter
EPOTEK301-2
・粒子の軌跡を２つのscintillation counterで決める。
(uncertaintyは1°)
・Pbのshieldingで≒0.4GeVのμをselection
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Monte Carlo simulation
・DIRC NOTE 140 (2001)の実験結果をphoton background
のシミュレーションに使用。
・Delta-Rayに加え、EPOTEK/silica面での反射もシミュレー
ションに加えると、データを説明できた。
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10. NIM (2001)
「Optical properties of the DIRC fused silica Cherenkov radiator」
DIRCについてのまとめの論文。これまでのノートに書いてあ
るものもほぼ全てまとめられている。
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Radiation damage in
optical glue(EPOTEK301-2)
・EPOTEK301-2がガンマ線(Co60)70kradに耐性があることを
確認。
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fused silica edge damage or chips
(a)A bad bar edge
(b)A good bar edge
・microscopeでとったfused silica のedge
・全てのquartz bar でedge chipの総面積が
6mm^2以下という要求を満たした。
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結び

最終的に、TOPにおける時間分布の詳細を理解したい。
Arita, M. thesis
下に横たわる分布の源や、ガウス関数
の幅がデータで広い理由の理解。


そのために、Quartzの形状や内部構造の理解は不可欠。
DIRCにおける研究は、非常に参考になる。
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Backup Slide
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