Report on DIRC Radiator Y. Horii, Y. Koga, N. Kiribe 1 April 2011

Contents 2 1. DIRC NOTE 40 (1996) 2. H. Kawahara’s Report (1996) 3. DIRC NOTE 82 (1997) 4. SLAC-PUB (1997) 5. SLAC-PUB (1997) 6. DIRC NOTE 130 (2000) 7. DIRC NOTE 132 (2000) 8. DIRC NOTE 140 (2000) 9. SLAC-PUB (2001) 10. NIM (2003) 堀井 古賀 桐部

1. DIRC NOTE 40 (1996) 3 Blue at 442 nm UV at 325 nm

Bulk transmission 4 セットアップ （スキャン可） 良い透過率 若干の位置依存性 曲がった光路の可能性（端の方） 結果 Quartz を透過したレーザーの強度

Surface reflectivity 5 透過率を x とすると、 測定した I 0-4 を用い、 x を求める。 レーザーの内部表面反射率 セットアップ I 0-4 を測定 結果 反射率 > 99.9% 表面粗さ ~ 10 Å

RTV coupling 6 RTV: 接着用ゴム RTV による影響を知りたい。 RTV の屈折率が Quartz と違い、 Window が傾くと、経路が変わり得る。 セットアップ 結果 図は、空白。 文字のみ： ”No appreciable angular distortion”

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。 2. H. Kawahara’s Report (1996) 7

Particle Track ・ 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 ← 角度の取り方 δθ c の mean 値と RMS を Particle Track の角度 θ track 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 8

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 RMS mean η =0.5mrad の時、 RMS<6 → 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 チェレンコフ光がミラーに行かない RMS<1.7 ξ =1.0mrad のとき 10

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 11

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 DIRC Note#40 の 測定装置で測定 3. DIRC NOTE 82 (1997) 12

寸法 内部反射 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 特に問題なし #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±

1225mm 17mm 35mm Quartz のサイズ これを 4 つつなげて長さ 4900mm の bar にする DIRC の説明と Quartz の精度についてのまとめ 4. SLAC-PUB (1997) 14

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： 0.5nm(RMS) ・平行度： 25 μ m ・直角度： 0.3mrad ・エッジ： r< 5 μ m 角の半径 r<5 μ m ・吸収 325nm ： 1%/m 442nm:0.2%/m ・内部全反射率： ±

5. SLAC-PUB (1997) 16 DIRC NOTE 40

Radiation damage 17  10 krad 照射後に、透過率が落ちない事を確認したい。  Co 60 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: SiCl 4 などから合成。 結果 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 18  干渉による Lobes （極大部分）を見る事で、 Quartz の不均一性を調 査。 Heraeus Suprasil を用いた不均等性の確認 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 % Rotation of the ingot during growth plays a role in the formation of the LAYERS. 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。 結果

6. DIRC NOTE 130 (2000) 19 SLAC-PUB (1997)

Periodic structure 20  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。

Comparison between QPC and Heraeus 21 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 。

Opening angle measurement 22 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。

7. DIRC NOTE 132 (2000) 23 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。）

8. DIRC NOTE 140 (2001) 24

Measurement of the reflection index of EPOTEK301-2 glue ・ 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 ） Glue の成型 laser ≒ 3m 25

Fresnel reflectivity  Fresnel theory から反射率を入射角の関数として計算。 26

Measurement of the EPOTEK301-2/ Fused silica interface reflectivity(TE mode) ・ 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 (a) 27

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） 28

9. SLAC-PUB (2001) 29

Setup for study the photon background ・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 scintillation counter EPOTEK

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。 31

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。 32

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。 33

fused silica edge damage or chips ・ 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。 (a)A bad bar edge (b)A good bar edge 34

結び 35  最終的に、 TOP における時間分布の詳細を理解したい。  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。 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。

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