LDMX 트리거 석판 프로토타입으로 측정한 LCLS II 다크 커런트

초록

본 연구는 SLAC LCLS‑II 시설의 섹터 30 전송선(S30XL)에서 발생하는 다크 커런트를 LDMX 트리거 석판(Trigger Scintillator) 프로토타입을 이용해 정밀 측정하였다. 12개의 EJ‑200 플라스틱 바와 Hamamatsu S13360 SiPM으로 구성된 검출기는 QIE11 ASIC 기반 CMS HCal 읽기 모듈과 zCCM 시계·제어 보드로 동기화되어 37.14 MHz 샘플링, 0.538 ns 타이밍 해상도를 제공한다. 다크 커런트는 킥커 플랫‑탑 구간(≈ 700 ns)에서 전자 하나당 평균 0.05 e⁻(≈ 1.5 pA) 수준으로 확인되었으며, 전자 카운팅 및 전하 적분 두 방법이 일관된 결과를 보였다. 시간 구조는 186 MHz RF 총신과 일치했으며, 한 달 간의 연속 측정에서도 안정적인 다크 커런트 레벨이 유지되었다.

상세 분석

이 논문은 LDMX가 요구하는 초저전류, 고반복률 전자 빔을 제공하기 위해 DASEL(다크 섹터 실험) 시설에서 발생하는 다크 커런트를 정량화하는 데 초점을 맞춘다. 검출 시스템은 2 × 3 × 30 mm 크기의 EJ‑200 플라스틱 바 12개를 2 × 2 mm² SiPM 12개와 직접 결합한 구조이며, 바는 y‑축을 따라 길게 배치하고 x‑축으로 0.3 mm 간격, z‑축(빔 방향)으로 2 mm 간격을 두어 겹치지 않도록 설계되었다. 이러한 배열은 전자 빔이 바 사이의 틈새를 통과해도 인접 바에서 신호를 포착하도록 하여 효율을 높인다.

SiPM은 Hamamatsu S13360‑2050VE 모델을 사용했으며, 450 nm 피크 감도와 425 nm 발광 피크를 갖는 EJ‑200과 스펙트럼 매칭이 최적화되어 있다. 전압은 53 V(과전압 3 V)에서 동작했으며, 캘리브레이션 결과 180‑200 fC/PE(≈1.2 × 10⁶ e⁻/PE)의 이득과 약 20 fC의 페디스틀을 보였다. 다만 빛 누수에 의한 노이즈가 존재했지만, 신호 피크(≈ 16 000 fC)와 충분히 구분되었다.

읽기 전자회로는 CMS HCal용 QIE11 ASIC 기반 모듈을 채택했으며, 37.14 MHz 클럭에 맞춰 8‑bit ADC와 6‑bit TDC를 동시에 제공한다. QIE는 4개의 위상으로 병렬 동작해 무사이클 디지털화를 구현하고, 동적 범위는 약 400 pC이며 입력 전류 셔트를 통해 12배까지 확대 가능하다. 여기서 제한은 SiPM 포화가 되므로, 실제 측정에서는 전자당 약 0.05 PE 수준의 신호가 충분히 포착되었다. TDC는 26.9 ns 샘플을 50개의 서브버킷으로 나누어 0.538 ns 해상도를 제공, 전자 도착 시간을 정밀히 재구성한다.

시스템 동기화는 zCCM(zynq Clock and Control Module) 보드가 담당한다. 186 MHz LCLS‑II 레퍼런스 클럭을 받아 37.14 MHz 서브클럭을 생성하고, 전원·I²C·시그널을 전송한다. 또한 APx 보드가 트리거와 데이터 수집을 관리하며, 세 가지 트리거(임계값, 합성, 킥커) 중 킥커 트리거가 10 Hz 신호와 동기화돼 다크 커런트 구간을 선택한다. 데이터는 광링크를 통해 APx로 전송되고, SQLite 데이터베이스에 저장돼 후처리된다.

다크 커런트 측정은 킥커가 플랫‑탑(≈ 700 ns) 동안 다크 전자를 빔라인에 주입하도록 설정한 뒤, TS가 128 샘플(3.44 µs) 윈도우를 기록하도록 진행했다. 킥커 비활성 시 배경은 거의 없으며, 1시간 동안 MIP 수준 신호가 1건 미만으로 관측돼 배경 전류가 20 aA 수준임을 확인했다. 킥커 활성 구간(샘플 30‑60)에서는 연속적인 전하 파형이 나타났으며, 개별 전자 피크는 20 PE 이상으로 구분되었다. 바 별 히트율은 가장자리에서 0에 수렴해 빔 스팟이 전체 바 영역에 완전히 포함됨을 증명했다.

다크 커런트 양은 두 방법으로 추정했다. 첫째, 킥커 윈도우 내 전하를 적분해 포아송‑랜드우 분포 모델에 피팅했을 때 평균 전자 수 λ≈6‑7 e⁻/킥커 플랫‑탑, 즉 1.5 pA 수준이다. 둘째, 20 PE 임계값을 초과하는 피크를 전자 하나로 카운트하고 클러스터링(인접 바, 동일 26.9 ns 샘플)했을 때 λ≈7 e⁻와 일치했다. 전자 카운팅은 26.9 ns 내 다중 전자 발생 확률이 2.7 % 수준으로, 통계적 보정이 크게 필요하지 않다.

시간 구조 분석에서는 TDC가 186 MHz(5.38 ns) 간격의 7개 피크를 명확히 구분했으며, 이는 RF 총신의 위상과 일치한다. 킥커 전류 상승·감소 구간에서 빔 위치가 바 번호에 따라 변동하는 것을 확인했고, 플랫‑탑 구간(≈ 570 ns) 동안 빔이 안정된 위치에 머물렀다.

다크 커런트는 한 달에 걸친 6‑8시간 단위 측정에서도 크게 변동하지 않았다. 킥커가 일시적으로 비활성화된 구간을 제외하고는 히트율이 일정했으며, 이는 DASEL 운영 시 다크 전류가 안정적으로 공급된다는 실용적 의미를 가진다. 최종적으로, 이 프로토타입 검출기는 LDMX가 요구하는 1 e⁻/이벤트 수준의 빔을 정확히 모니터링할 수 있음을 증명했으며, 향후 전체 트리거 석판 시스템 설계에 중요한 피드백을 제공한다.