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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 )
シンチレータ
光検出器
712mm
CHD
TASC
TASC‐FEC
IMC‐FEC
IMC
516.
5mm
• PWO ( 20×19×326 mm3 )• 16 本 ×12 層 ( 27 X0 厚)
• 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 )
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
入射粒子のエネルギー決定,電子 / 陽子識別を行う
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
PWO シンチレータ
広い視野角 (観測量の確保) → 放射長あたりの長さを短く!
密度[g/cm3]
放射長当りの長さ [cm/r.l.]
放射長当りの面積密度 [g/cm2]
NaI 3.67 2.59 9.54
BGO 7.13 1.12 8.09
PWO 8.28 0.89 7.37
代表的な無機シンチレータの諸特性比較
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
326mm
19mm
20m
m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
TASC の信号読み出し
6 桁以上のダイナミックレンジを実現
APD/PD gain
APD/PD面積比
ShapingAmp gain 比
Totalgain 比
① 50 18 30 2.7×104
② 50 18 1 9×102
③ 1 1 30 30④ 1 1 1 1
PMT ( 1 層目) トリガー生成
APD/PD dual package ( S10937-9351 )
PMT( R11822 )
APD ( 100mm2 )S8664-1010
PD ( 5.8mm2 )S1227-33Br
φ8mm
Eff
ectiv
e AD
C [c
h]
MIP 数
APD/PD ( 2 層目以降)
4 系統のゲインの異なる信号処理回路
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
① APD ② APD③ PD④ PD
+ High gain Shaping Amp+ Low gain Shaping Amp+ High gain Shaping Amp+ Low gain Shaping Amp
1MIP の温度依存性測定
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
宇宙線ミューオンを利用して 1MIP を測定した 温度
[ ]℃電圧 [V]
20 401
25 405
30 409
35 413
40 417
APD の電圧(増幅率 50 倍)
恒温槽
APD/PD
PWO (+反射材 ESR )
測定温度 : 20 , 25 , 30 , 35 , 40℃
PWO + APD
検出器
測定システム
PWO(W003)
Trigger Sci.(S1)
Trigger Sci.(S2)
PMT
PMT
PreAmpAPD/PD
恒温槽
QDC
PH-ADCShaping AmpTrigger Logic
muon
Divider
◆ Trigger Sci. : ELJEN, EJ-204 ( 20×10×320 mm3 ) ◆ PMT : HAMAMATSU, H10721-210, @-850 V ◆ QDC : CAEN, V965A, 12 bit
◆ PreAmp : CALET 用 HIC の試作品 ◆ Shaping Amp : Bi-Polar, tshape=1.4 us ◆ PH-ADC : CLEAR-PULSE, 1112, 16 bit
PreAmp ( CALET 用 HIC の試作品)
Side view
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
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 値分布を Gauss 分布で fitting し,ピーク値を算出
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1MIP
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
20℃ での 1MIP 決定例
温度係数: -1.3%/ ℃ ( @25℃ )
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)
20℃
25℃
30℃
35℃
40℃
2.4 [fC]
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
True RMSMeterShaping Amp
Bias
PreAmpAPD
温度係数: +2.3%/℃ ( @25℃ )
恒温槽
True RMS Meter( NF Co. , M2170 )
② APD 容量由来のノイズ
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
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
信号対雑音比 ( S/N )
S /N=ミューオン1MIP [ fC ]
回路のRMSノイズ [ fC ]
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
→ 各温度での S/N を直線で fitting
PWO 発光量: 12 p.e./MeV
CALET に用いる PWO の発光量は9 p.e./MeV 以上
温度係数: -2.8 %/ ℃ ( @25℃ )
PWO 発光量: 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]
Num
ber o
f PW
O L
ogs
実測 見積もり
(平均 11.3 p.e./MeV )
PWO 発光量: 9 p.e./MeV
ミューオンのエネルギー損失:約 22MeV ( 2cm 厚の PWO 中)
(平均値)
(最低値)
ISS 軌道上における TASC の熱解析
解析条件
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)
解析結果
ISS 軌道姿勢 : YPR = 0, 0, 0 [deg] β 角 : -75 ~ +75 [deg] ATCS 温度(高温側) : 21 [ ] ℃ ※
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
※ 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
経過日数 [day] 360
β角
[de
g]
0
+80
-80
• 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
まとめ
END