MLFMLF ミュオン施設でのミュオン施設でのDAQDAQ

ミュオングループ　河村　成肇ミュオングループ　河村　成肇

2005 年 10 月 14 日　 J-PARC にむけてのデータ収集ワークショップ

現在のシステム現在のシステム

原子核実験的な R&Dを必要とする実験では、Rodem を用いず、 exp2k 単独での制御となる。

Rodem により、自動的に実験条件を変化させることができ

る。

-e 崩壊電子

PMT

NIM/ CAMAC

SCSI

Event by event data

sample

Exp2kon Linux

実験条件制御　クライオスタット　電磁石

Rodem(LabView macro)

on PC

TCP/IP で相互制御

LeCroy TDC3377K3929/K3976

現在のシステム現在のシステム

Exp2kCAMAC の制御、 DAQLinux ベース　オリジナルプログラム温度、磁場制御機構の開発　△

Rodem温度、磁場の制御Windows ベース　 LabView のマクロCAMAC 制御機構の開発　△

Exp2k

Paw++ （ CERN lib ）

TCP/IP

現在のシステムの問題点現在のシステムの問題点 NIM/CAMACNIM/CAMAC を使っているため将来性がなを使っているため将来性がな

い。い。 Exp2kExp2k とと RodemRodem という二つのデータ収集という二つのデータ収集

システムのどちらがメインか判然としない。システムのどちらがメインか判然としない。 Exp2kExp2k はは Linux+CERN libLinux+CERN lib を用いるため物性を用いるため物性

ユーザーにはなじみずらい。ユーザーにはなじみずらい。 RodemRodem にはデータビューアの実装がない。にはデータビューアの実装がない。 Exp2kExp2k は様々な遠隔操作機能を実装、は様々な遠隔操作機能を実装、 RodemRodem

でもでも vcnvcn などを使えば一応可能。などを使えば一応可能。 VMwareVMware など使えばいくらか緩和？など使えばいくらか緩和？

J-PARCJ-PARC で問題となる点で問題となる点 ビーム強度が上がるビーム強度が上がる

⇒パルスあたりのミュオン数の増加⇒パルスあたりのミュオン数の増加⇒検出器でのシグナルのパイルアップの問題⇒検出器でのシグナルのパイルアップの問題⇒検出器の高セグメント化⇒検出器の高セグメント化

KEK booster 32-pair countersKEK booster 32-pair countersRIKEN-RAL 192 single countersRIKEN-RAL 192 single countersJ-PARC muon >1000 counters?J-PARC muon >1000 counters?

⇒⇒ コストの問題コストの問題

CAMAC(600chCAMAC(600ch 程度が限界程度が限界 )) を用いることは不可を用いることは不可能能

統合計画でのシステム統合計画でのシステム

-e 崩壊電子

Event by event data

sample 実験条件制御　クライオスタット　電磁石

Rodem(LabView macro)

on PC

TCP/IP で相互制御

Exp2kon Linux

NIM/ CAMAC

DMA

LeCroy TDC3377K3929/K3976

NIM/ VME

UniDAQ?

第 2 段階　 CAMAC VME⇒ への置換

DB サーバとの連携

第 3 段階　 DB サーバとの連携

Multi-anode-PMT

PMT 第 1 段階　検出器の高セグメント化

J-PARCJ-PARC での検出系の開発での検出系の開発 KEKKEK 共同開発研究として以下の開発を行共同開発研究として以下の開発を行

っている。っている。 アバランシュフォトダイオードを用いた検出アバランシュフォトダイオードを用いた検出 FPGAFPGA を用いたトリガーシステムを用いたトリガーシステム VMEVME ベースのベースの DAQDAQ システムシステム

中村哲（東北大）中村哲（東北大） 河村成肇（河村成肇（ KEKKEK ）） 宮寺晴夫、今尾浩士（東大）宮寺晴夫、今尾浩士（東大）

APDAPD とは・・・とは・・・ 自己増倍機能を持った高感度光センサ自己増倍機能を持った高感度光センサ

光半導体素子を使って微弱光検出をする際のノイズ→検出回路のノイ光半導体素子を使って微弱光検出をする際のノイズ→検出回路のノイズズAPDAPD は検出素子自身に増倍機能がある→読み出し回路の雑音　は検出素子自身に増倍機能がある→読み出し回路の雑音　 1/101/10～～ 1/1001/100

ダイオードのブレークダウン電圧以上に設定する→不安定な平衡状態ダイオードのブレークダウン電圧以上に設定する→不安定な平衡状態→→ 光子の入射で一気にブレークダウンを生じ、ＡＰＤの接合間電圧が、光子の入射で一気にブレークダウンを生じ、ＡＰＤの接合間電圧が、ブレークダウン電圧まで一気に降下。このときパルス電流が発生し、ブレークダウン電圧まで一気に降下。このときパルス電流が発生し、それがさらに内部増幅それがさらに内部増幅 (( アバランシェ増幅アバランシェ増幅 )) され大きなパルス電流をされ大きなパルス電流を生む。生む。

アバランシェ：ｐｎ接合領域で、電子・空孔ペアが加速され、原子とアバランシェ：ｐｎ接合領域で、電子・空孔ペアが加速され、原子との衝突でさらに複数の電子・空孔ペアを作り出す過程。の衝突でさらに複数の電子・空孔ペアを作り出す過程。

メリット デメリット小型 増倍率素子は安価 有効面積が小さい磁場の影響を受けにくい 時間分解能熱の発生が少ない 暗電流対策として冷却システムが必要

APDAPD モジュールモジュール

APDAPD 素子＋プリアンプ素子＋プリアンプ生シグナルと生シグナルと CFDCFD を出力。を出力。浜松ホトニクスと共同開発浜松ホトニクスと共同開発

新開発の APD 　　 C4777-3939

Active AreaActive Area 5x5mm5x5mm22

Break Down VBreak Down V 400-500V400-500V

Cut-off FrequencyCut-off Frequency 40MHz40MHz

Photo Sensitivity (580nm, Photo Sensitivity (580nm, Gain=50)Gain=50)

21A/W21A/W

Quantum Efficiency (580nm, 25C.)Quantum Efficiency (580nm, 25C.) 85%85%

Gain (360V, 20C.)Gain (360V, 20C.) 101022

Capacitance (360V, 25C.)Capacitance (360V, 25C.) 80pF80pF

Dark Current (360V, 25C.)Dark Current (360V, 25C.) 7nA7nA

波長依存性等への対策波長依存性等への対策通常のプラスチックシンチレーターの波長通常のプラスチックシンチレーターの波長

はは青青⇔ ⇔ APDAPD はは赤外域赤外域に最大感度に最大感度Matreial Density Refractive Melting Conversion Photons Emissiom Decay Hygro Radiation Radiation Afterglow

Index Point Efficiency per MeV Maximum Constant scopic Length Hardness(unit) g/ cm3 degree C nm ns cm Rad % at 6ms

NE- 102 1.03 1.58 75 29 10000 423 2.4 no

•580nm 近辺で発光するプラスチックシンチレーターの採用 (BC-430) 。

→Decay Constant が数倍悪い

•APD 素子のゲインの改造 (× ２～３ ) 。

→ プリアンプのゲイン向上と併せて ×10 倍

APDAPD のジッターとデッドタイのジッターとデッドタイムム

0

20

40

60

80

100

-60 -40 -20 0 20 40 60

Time Jitter [ns]

1

10

100

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Time Intervals Between Events

Num

ber

of E

vent

s

コインシデンスを取った２台の APD の時間の差を解析35.8ns （ rms ）・・・ 1 台の APD では 25.3ns の時間分解能

信号間の間の時間を解析→デッドタイム50ns ・・・ APD の出力シグナルのパルス幅 (25ns)×2 ＝検出限界以下

時間分解能の測定 デットタイムの測定

APDAPD の耐磁場性能の耐磁場性能

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

0 0.5 1 1.5 2

Magnetic Field [Tesla]

Sig

nal G

ain

1.9T でもほとんどゲイン変化が見られない。

APDAPD を用いたを用いた SRSR 測定測定

100

1000

10000

100000

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

Time [ns]

Even

ts

f (t ) = N0 exp ( -t / ) { 1 + A･cos( + H0 t ) }

N0 = 1.527× 10 5, A =0.2451, = 206 [deg] , H0 =37.13 [gauss].

APD を用いて得られた Al の SR ヒストグラム

その他の開発状況その他の開発状況 Multi-anode PMTMulti-anode PMT

⇒⇒ 　第　第 22 実験室大オメガ用検出器に実実験室大オメガ用検出器に実装装

トリガー系の改良トリガー系の改良中間子施設では短期間（数日～数週間）に実中間子施設では短期間（数日～数週間）に実験が入れ替わる　⇒　験が入れ替わる　⇒　 FPGAFPGA を用いたトリを用いたトリガー系の開発に着手（ガー系の開発に着手（ Verilog HDLVerilog HDL ベース）ベース）

VMEVME ベースのベースの DAQDAQ （（ UniDAQ+AMT TDCUniDAQ+AMT TDC ））

まとめまとめ 統合計画ミュオン実験施設でのデータ収集・統合計画ミュオン実験施設でのデータ収集・

制御システムの開発はまず検出器の高セグメ制御システムの開発はまず検出器の高セグメント化、ント化、 CAMACCAMAC とと VMEVME の置換から行う。の置換から行う。（既にテスト的な作業は開始されている。）（既にテスト的な作業は開始されている。） 本当に本当に VMEVME でよいのか？将来性は？でよいのか？将来性は？ DAQDAQ プログラムはどうするか？スクラッチ？外プログラムはどうするか？スクラッチ？外注？注？

第第 22 段階として段階として DBDB サーバとの連携サーバとの連携 職人技（？）の解析方法からの脱却職人技（？）の解析方法からの脱却 簡易な実験・解析システムの構築簡易な実験・解析システムの構築