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CALET-TASC に用いる PWO の 発光特性に関する研究

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/SEUC B 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 ）. CHD. 入射粒子の エネルギー決定， 電子 / 陽子識別を行う. IMC‐FEC. IMC. シンチレータ. PWO （ 20×19×326 mm 3 ） 16 本 ×12 層　（ 27 X 0 厚）. 516.5mm. 光検出器. TASC.

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CALET-TASC に用いる PWO の 発光特性に関する研究

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Presentation Transcript

  1. 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

  2. 研究目的 全吸収型カロリメータ （TASC） CHD 入射粒子のエネルギー決定， 電子/陽子識別を行う IMC‐FEC IMC • シンチレータ • PWO（20×19×326 mm3） • 16本×12層　（27 X0厚） 516.5mm • 光検出器 TASC TASC‐FEC • 1層目のみ：　PMT（トリガー用） • 2層目以降：　APD/PD • 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） 712mm 装置の温度変化により 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は発光量変化 • APDはノイズ量変化

  3. PWOシンチレータ CALETに要求される性能 • 広い視野角　（観測量の確保） • 　→放射長あたりの長さを短く！ 326mm • 検出器の軽量化 • 　　　→　放射長あたりの面積密度を小さく！ 20mm CALET-TASC用のシンチレータとしては PWOが最適 19mm 代表的な無機シンチレータの諸特性比較 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

  4. Effective ADC [ch] MIP数 TASCの信号読み出し • PMT （1層目） トリガー生成 APD（100mm2） S8664-1010 φ8mm • APD/PD • （2層目以降） 4系統のゲインの異なる 信号処理回路 PD（5.8mm2） S1227-33Br ①APD ②APD ③PD ④PD ＋ Highgain Shaping Amp ＋ Lowgain Shaping Amp ＋ Highgain Shaping Amp ＋ Lowgain Shaping Amp PMT （R11822） APD/PD dual package （S10937-9351） • 　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 6桁以上のダイナミックレンジを実現

  5. 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 APDの電圧（増幅率50倍） • 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 検出器 PWO＋APD APD/PD PWO（＋反射材ESR）

  6. 測定システム Side view muon 恒温槽 Trigger Sci.(S1) PMT PreAmp（CALET用HICの試作品） PreAmp Shaping Amp PWO(W003) APD/PD PH-ADC Trigger Logic Divider QDC Trigger Sci.(S2) PMT ◆ 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. : ELJEN, EJ-204 （20×10×320 mm3） ◆ PMT : HAMAMATSU, H10721-210, @-850 V ◆ QDC : CAEN, V965A, 12 bit

  7. 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）

  8. 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） 1MIP 20℃ • 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 2.4 [fC] 20℃での1MIP決定例 • 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 25℃ 30℃ 35℃ 温度係数：　-1.3%/℃ （@25℃） 40℃

  9. 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 Bias True RMS Meter PreAmp APD Shaping Amp 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 温度係数：　+2.3%/℃ （@25℃）

  10. 信号対雑音比 （S/N） 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 CALETに用いるPWOの発光量は 9 p.e./MeV以上 （平均 11.3 p.e./MeV） Number of PWO Logs 発光量が最低値と平均値 の場合のS/Nを見積もった →　各温度でのS/Nを直線でfitting 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：11.3p.e./MeV （平均値） PWO発光量：9p.e./MeV 温度係数： -2.8 %/℃ （@25℃） （最低値）

  11. ISS軌道上におけるTASCの熱解析 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 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 解析結果 β角[deg] ① PWOのノミナル温度　　　： 29～31 [℃] ② PWOの最高温度　　　　　： 32[℃] ③ 軌道1周回での温度変動 ： 0.2 [℃]以下 ④ β角による温度依存性　 ： 0.9 [℃]　（β＝+20[deg] で最も高温） -80 0 360 経過日数 [day] ※　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

  12. 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

  13. END

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