PWO発光量の温度依存性 1MIP

Report
CALET-TASCに用いる PWOの
発光特性に関する研究
早大理工研,横国大工A,JAXA/SEUCB
二宮翔太,鳥居祥二,村上浩之,小澤俊介,小谷太郎,
伊藤大二郎,舟橋良輔,小甲弘亮,北條裕之,
片寄祐作A,清水雄輝B
研究目的
全吸収型カロリメータ (TASC)
入射粒子のエネルギー決定,
電子/陽子識別を行う
 温度環境
• CALET全体はMLIで覆い,断熱
• 発熱部は流体による熱制御 (ATCS)
装置の温度変化により
 PWOは発光量変化
 APDはノイズ量変化
IMC
TASC‐FEC
516.5mm
 シンチレータ
• PWO (20×19×326 mm3)
• 16本×12層 (27 X0厚)
 光検出器
• 1層目のみ: PMT (トリガー用)
• 2層目以降: APD/PD
IMC‐FEC
CHD
TASC
712mm
ISS軌道上で予測される温度下において
PWO+APDを用いて1MIP,回路ノイズを
測定し,S/Nの温度依存性を求めた
PWOシンチレータ
CALETに要求される性能
 検出器の軽量化
→ 放射長あたりの面積密度を小さく!
CALET-TASC用のシンチレータとしては
PWOが最適
20mm
 広い視野角 (観測量の確保)
→ 放射長あたりの長さを短く!
代表的な無機シンチレータの諸特性比較
密度
放射長当りの
放射長当りの
[g/cm3] 長さ [cm/r.l.] 面積密度 [g/cm2]
温度依存性
エネルギー決定精度
向上のために,詳細
な測定が必要
NaI
3.67
2.59
9.54
BGO
7.13
1.12
8.09
PWO
8.28
0.89
7.37
TASCの信号読み出し
 PMT (1層目)
φ8mm
トリガー生成
APD(100mm2)
S8664-1010
 APD/PD
4系統のゲインの異なる
(2層目以降) 信号処理回路
①
②
③
④
Total
APD/PD APD/PD Shaping
gain
面積比 Amp gain比 gain比
50
18
30
2.7×104
50
18
1
9×102
1
1
30
30
1
1
1
1
PMT
(R11822)
APD/PD dual package
(S10937-9351)
Effective ADC [ch]
① APD + High gain Shaping Amp
② APD + Low gain Shaping Amp
③ PD + High gain Shaping Amp
④ PD + Low gain Shaping Amp
 各系統のレンジは約3桁
 1桁以上重ねて接続し,
①の1MIP測定により較正
PD(5.8mm2)
S1227-33Br
MIP数
6桁以上のダイナミックレンジを実現
1MIPの温度依存性測定
宇宙線ミューオンを利用して1MIPを測定した
 測定項目 : PWO+APD
- PWO : CALET試作品 (20×20×320 mm3)
12 p.e./MeV (@20℃)
- APD : 増幅率50倍となる電圧を印加
 測定温度 : 20,25,30,35,40℃
恒温槽
APDの電圧(増幅率50倍)
温度 [℃]
電圧 [V]
20
401
25
405
30
409
35
413
40
417
検出器
PWO+APD
APD/PD
PWO(+反射材ESR)
測定システム
Side view muon
恒温槽
Trigger Sci.(S1)
PMT
PreAmp (CALET用HICの試作品)
PWO(W003)
APD/PD
PreAmp
Shaping Amp
PH-ADC
Trigger Logic
Trigger Sci.(S2)
PMT
Divider
◆ PreAmp
: CALET用HICの試作品
◆ Shaping Amp : Bi-Polar, tshape=1.4 us
◆ PH-ADC
: CLEAR-PULSE, 1112, 16 bit
◆ Trigger Sci.
◆ PMT
◆ QDC
: ELJEN, EJ-204 (20×10×320 mm3)
: HAMAMATSU, H10721-210, @-850 V
: CAEN, V965A, 12 bit
QDC
入力電荷に対する出力ADC値の較正
PreAmpにテストパルスを入力し,PH-ADCを較正した
 テストパルスによるADC値分布をGauss分布で
fittingし,ピーク値を算出
 入力するテストパルスを等差的に小さくしていき,
入力電荷と出力ADC値の相関をとった
テストパルスによるADC値分布
とfitting例 (入力電荷:70 [fC])
 相関係数 : 390±0.16 [ch/fC]
 ペデスタル : 67±6.9 [ch]
— 入力電荷が0 [fC]のときの
ADC値 (fitting直線を外挿)
PWO発光量の温度依存性
各温度での1MIP測定結果から,PWO発光量の
温度依存性を求めた (APDゲインは50倍で固定)
 宇宙線ミューオンによる波高分布を
「Landau分布にGauss分布を畳み込んだ
関数」によりfitting
 Landau成分のピーク値(MPV)を1MIPとした
 各温度での1MIPを求め,直線でfitting
1MIP
20℃
2.4 [fC]
20℃での1MIP決定例
25℃
30℃
35℃
温度係数: -1.3%/℃ (@25℃)
40℃
回路ノイズの温度依存性
各温度での1MIP測定直後に,APDに電圧を
印加した状態で回路のRMSノイズを測定した
恒温槽
APD
Bias
PreAmp
Shaping Amp
True RMS
Meter
True RMS Meter
(NF Co. , M2170)
ノイズの主成分
① Shaping Amp出力付近で
発生する高周波ノイズ
② APD容量由来のノイズ
③ APD暗電流由来のノイズ
温度係数: +2.3%/℃
(@25℃)
温度上昇によって顕著に
増加するのは暗電流である
ため,温度依存性に寄与
するのは主に③である
ミューオン測定による1MIPと
回路ノイズから,S/Nを算出した
ミューオン1MIP [fC]
S/N =
回路のRMSノイズ [fC]
→ 各温度でのS/Nを直線でfitting
Number of PWO Logs
信号対雑音比 (S/N)
CALETに用いるPWOの発光量は
9 p.e./MeV以上 (平均 11.3 p.e./MeV)
発光量が最低値と平均値
の場合のS/Nを見積もった
Light Yield [p.e./MeV]
ミューオンのエネルギー損失
:約22MeV (2cm厚のPWO中)
実測
見積もり
PWO発光量:12 p.e./MeV
PWO発光量:11.3 p.e./MeV
(平均値)
PWO発光量:9 p.e./MeV
温度係数: -2.8 %/℃ (@25℃)
(最低値)
ISS軌道上におけるTASCの熱解析
解析条件
 ISS軌道姿勢
: YPR=0, 0, 0 [deg]
 β角
: -75~+75 [deg]
 ATCS温度(高温側) : 21 [℃] ※
+80
β角 [deg]
TASCのノミナル運用時(高温側)の熱解析により,
ISS軌道上でのPWOの温度を予測した
-80
解析結果
①
②
③
④
PWOのノミナル温度
PWOの最高温度
軌道1周回での温度変動
β角による温度依存性
0
経過日数 [day]
: 29~31 [℃]
: 32 [℃]
: 0.2 [℃]以下
: 0.9 [℃] (β=+20 [deg] で最も高温)
※ ただし,ATCSのノミナル温度は20 [℃]なので,
解析結果①,②は平均的に数℃下がる
360
まとめ
• ISS軌道上で予測される範囲の温度環境下において,宇宙線
ミューオンによるPWOの発光量と回路のRMSノイズの温度依
存性を測定し,S/Nを算出した
– PWO発光量
: -1.3 %/℃
– 回路のRMSノイズ : +2.3 %/℃
– S/N
: -2.8 %/℃
• CALET実機で用いるPWOの発光量の平均値は11.3 p.e./MeV,
最低値は9 p.e./MeVであるため,それぞれの場合について
S/Nを見積もった
⇒ 実機でのPWOのノミナル温度(30℃)においても
3σ以上のS/Nが確保されていることが確認された
END

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