DOI: https://doi.org/10.1088/1748-0221/21/01/p01027
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: W. Bae وآخرون
الموضوع الرئيسي: كشف الإشعاع وتقنيات الكاشف الوميضي
نظرة عامة
تقدم هذه القسم التوصيف البصري لألياف جديدة لتحويل الطول الموجي، EJ-182 و EJ-160، من تقنية Eljen، جنبًا إلى جنب مع تحليل مقارن مع ألياف BCF-91A من Saint-Gobain. تكشف الدراسة أن طول التوهين الطويل، المشار إليه بـ $\Lambda_{\text{long}}$، يزداد مع الطول الموجي، بينما يقل طول التوهين القصير، $\Lambda_{\text{short}}$، بشكل ملحوظ بعد 500-520 نانومتر. على وجه التحديد، وُجد أن أطوال التوهين الطويلة الملائمة كانت 3.80 م لألياف BCF-91A، 1.55 م لألياف EJ-182، 4.00 م لألياف EJ-160I، و 2.50 م لألياف EJ-160II. ومن الجدير بالذكر أن EJ-160I أظهرت طول توهين أطول ولكن كثافة ضوء أقل، بينما عرضت EJ-160II طول توهين أقصر مع كثافة ضوء أعلى.
بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم تأثير العوامل البيئية من خلال غمر ألياف EJ-160II في الماء، مما أدى إلى انخفاض في إجمالي خرج الضوء وكبح مكون التوهين القصير، المنسوب إلى انخفاض تباين معامل الانكسار بين غلاف الألياف والوسط المحيط. تشير النتائج إلى اعتماد قوي على الطول الموجي للتوهين، مع انخفاضات محلية لوحظت عند 490، 610، و 650 نانومتر. ستوسع الأبحاث المستقبلية هذه القياسات لتشمل أنواع أخرى من الألياف وتدمج محاكاة شاملة لتتبع الأشعة لانتشار الضوء في الألياف التي تحول الطول الموجي، بهدف تعزيز فهم الأداء البصري في هذه المواد.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية الألياف البلاستيكية ذات الخصائص الوميضية (Sci) وتحويل الطول الموجي (WLS) في تعزيز جمع الضوء ونقله لتجارب الفيزياء الجسيمية والنووية. تقوم هذه الألياف بتحويل ضوء الوميض ذو الطول الموجي الأقصر إلى أطوال موجية أطول، مما يحسن التوافق مع استجابات الطيف للكاشفات الضوئية. لقد كانت تطبيقاتها بارزة في تجارب مثل MINOS و NOvA و T2K ND280، ومؤخراً، تم استخدام ألياف WLS المطلية بالتترافينيل بيوتادين (TPB) في كاشفات الأرجون السائل مثل GERDA و LEGEND-200.
تظهر هذه الأبحاث من تعاون بين جامعة تكساس في أوستن وتقنية Eljen، بهدف تطوير ألياف جديدة تتجاوز الخيارات المتاحة في السوق ومخصصة للتجارب المستقبلية، وخاصة LEGEND-1000. تقدم الدراسة تقييم الأداء لثلاث ألياف جديدة—ألياف WLS EJ-182I وألياف Sci-WLS EJ-160I و EJ-160II—مقارنة فعاليتها مع ألياف WLS المعروفة BCF-91A من Saint-Gobain (الآن Luxium Solutions).
نقاش
في هذه الدراسة، تم توصيف الخصائص البصرية لأربعة أنواع من الألياف—BCF-91A، EJ-182I، EJ-160I، و EJ-160II—مع التركيز على أطوال التوهين والطيف الانبعاثي. أظهرت ألياف BCF-91A، التي تم استخدامها سابقًا في تجارب GERDA و LEGEND-200، طول توهين طويل ($\lambda_{\text{long}} = 3.80 \, \text{m}$)، متسق مع مواصفات الشركة المصنعة. عرضت الألياف الجديدة EJ-160 أطوال توهين متغيرة: كان لدى EJ-160I $\lambda_{\text{long}} = 4.00 \, \text{m}$، بينما كان لدى EJ-160II $\lambda_{\text{long}} = 2.50 \, \text{m}$. ومن الجدير بالذكر أن الدراسة وجدت اعتمادًا كبيرًا على الطول الموجي في التوهين، مع زيادة $\lambda_{\text{long}(\lambda)}$ مع الطول الموجي وانخفاضات محلية لوحظت عند 490، 610، و 650 نانومتر.
بالإضافة إلى ذلك، كشفت الاختبارات التي أجريت مع ألياف EJ-160II المغمورة في الماء عن انخفاض في كثافة الضوء الإجمالية إلى حوالي 49% من تلك المقاسة في الهواء، جنبًا إلى جنب مع كبح مكون التوهين القصير ($I_{\text{short}}$). يتماشى هذا السلوك مع انخفاض تباين معامل الانكسار بين غلاف الألياف والوسط المحيط. تشير النتائج إلى أنه بينما تحتوي النسخة EJ-160I على طول توهين أطول، فإنها تنتج كثافة ضوء أقل مقارنةً بـ EJ-160II، التي تحتوي على طول توهين أقصر ولكن خرج ضوء أعلى. ستوسع الأبحاث المستقبلية هذه القياسات مع أنواع ألياف إضافية وتدمج محاكاة تتبع الأشعة لنمذجة انتشار الضوء في الألياف التي تحول الطول الموجي.
DOI: https://doi.org/10.1088/1748-0221/21/01/p01027
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): W. Bae et al.
Primary Topic: Radiation Detection and Scintillator Technologies
Overview
This section presents the optical characterization of new wavelength-shifting fibers, EJ-182 and EJ-160, from Eljen Technology, alongside a comparative analysis with the BCF-91A fiber from Saint-Gobain. The study reveals that the long attenuation length, denoted as $\Lambda_{\text{long}}$, increases with wavelength, while the short attenuation length, $\Lambda_{\text{short}}$, diminishes significantly beyond 500-520 nm. Specifically, the fitted long attenuation lengths were found to be 3.80 m for BCF-91A, 1.55 m for EJ-182, 4.00 m for EJ-160I, and 2.50 m for EJ-160II. Notably, EJ-160I exhibited a longer attenuation length but lower light intensity, whereas EJ-160II displayed a shorter attenuation length with higher light intensity.
Additionally, the impact of environmental factors was assessed by immersing the EJ-160II fiber in water, which resulted in a decrease in overall light output and suppression of the short attenuation component, attributed to the reduced refractive index contrast between the fiber cladding and the surrounding medium. The findings indicate a strong wavelength dependence of attenuation, with localized dips observed at 490, 610, and 650 nm. Future research will expand these measurements to other fiber variants and incorporate a comprehensive ray-tracing simulation of light propagation in wavelength-shifting fibers, aiming to enhance the understanding of optical performance in these materials.
Introduction
The introduction highlights the significance of plastic fibers with scintillating (Sci) and wavelength-shifting (WLS) properties in enhancing light collection and transport for particle and nuclear physics experiments. These fibers convert shorter wavelength scintillation light into longer wavelengths, optimizing compatibility with photodetector spectral responses. Their application has been prominent in experiments such as MINOS, NOvA, and T2K ND280, and more recently, WLS fibers coated with tetraphenylbutadiene (TPB) have been utilized in liquid-argon detectors like GERDA and LEGEND-200.
This research emerges from a collaboration between the University of Texas at Austin and Eljen Technology, aiming to develop new fibers that surpass existing market options and are tailored for future experiments, particularly LEGEND-1000. The study presents the performance evaluation of three novel fibers—WLS fiber EJ-182I and Sci-WLS fibers EJ-160I and EJ-160II—comparing their efficacy against the established WLS fiber BCF-91A from Saint-Gobain (now Luxium Solutions).
Discussion
In this study, the optical properties of four fiber types—BCF-91A, EJ-182I, EJ-160I, and EJ-160II—were characterized, focusing on their attenuation lengths and emission spectra. The BCF-91A fiber, previously utilized in GERDA and LEGEND-200 experiments, exhibited a long attenuation length ($\lambda_{\text{long}} = 3.80 \, \text{m}$), consistent with manufacturer specifications. The newly developed EJ-160 fibers displayed varying attenuation lengths: EJ-160I had $\lambda_{\text{long}} = 4.00 \, \text{m}$, while EJ-160II had $\lambda_{\text{long}} = 2.50 \, \text{m}$. Notably, the study found a significant wavelength dependence in attenuation, with $\lambda_{\text{long}(\lambda)}$ increasing with wavelength and localized dips observed at 490, 610, and 650 nm.
Additionally, tests conducted with the EJ-160II fiber submerged in water revealed a reduction in overall light intensity to approximately 49% of that measured in air, alongside a suppression of the short attenuation component ($I_{\text{short}}$). This behavior aligns with the decreased refractive index contrast between the fiber cladding and the surrounding medium. The findings suggest that while the EJ-160I variant has a longer attenuation length, it produces lower light intensity compared to EJ-160II, which has a shorter attenuation length but higher light output. Future research will expand on these measurements with additional fiber variants and incorporate a ray-tracing simulation to model light propagation in wavelength-shifting fibers.