企画講演
測定器開発優秀修士論文賞

シグマ陽子散乱実験のためのBGO カロリーメータシステムの構築
株式会社ニューフレアテクノロジー（東北大理卒）

池田 迪彦

目次

►イントロダクション►BGOカロリーメータの読み出しシステム►エネルギー較正法►実機システムの構築と評価►まとめイントロダクション►イントロダクション►BGOカロリーメータの読み出しシステム►エネルギー較正法►実機システムの構築と評価►まとめシグマ陽子散乱実験(J-PARC E40実験)
SN 相互作用の研究: ハイパー核としては Σ4He以外観測されていない散乱実験が不可欠

J-PARC E40 : Sp散乱の微分断面積を高統計で測定
107 Hzのp ビームを液体水素標的に入射し、二つの連続した反応事象を測定する。
標的上流・下流のスペクトロメータ
𝜋 ± + 𝑝 → Σ± + 𝐾 +標的を囲う散乱陽子検出器群 (CATCH)
Σ ± + 𝑝 → Σ ± ′ + 𝑝′

LH2 Target

新規開発

J-PARC K1.8 beam line

CATCHの断面図

BGOカロリーメータの配置
BGOカロリーメータ
BGOシンチレーション結晶 (30 × 25 × 400 mm3 )&PMT(浜松ホトニクス R11934-100)

標的を囲う飛跡検出器の外側に配置
散乱陽子のエネルギーを測定する

40k ~ 400 kHzの高計数率下に晒される

BGOカロリーメータの配置
BGOカロリーメータ
BGOシンチレーション結晶 (30 × 25 × 400 mm3 )&PMT(浜松ホトニクス R11934-100)

BGOカロリーメータへの要求
 シングルレート
 平均40 kHzの環境。最大で400 kHz。
 トリガーレート
 想定1 kHz。念のため5倍まで要求。
○高計数率下において、データ量を抑制した上で…

80 MeVの陽子に対して3% (s)以下のエネルギー分解能

Flash ADCを用いた波形読み出し法と先行研究結果
E40の実験条件
BGOの計数率 : 平均40 kHz・瞬間最大400 kHz (J-PARCのビーム構造による）波形のパイルアップ (BGOの時定数：300 ns)
パイルアップした生信号

整形後積分回路で波形をなまらせFlash ADCでデータを取得⇒オフラインで波形を分離
サンプリング間隔:50 ns以内
(立ち上がり3点以上)

Flash ADCを用いた波形読み出し法と先行研究結果
E40の実験条件
BGOの計数率 : 平均40 kHz・瞬間最大400 kHz (J-PARCのビーム構造による）波形のパイルアップ (BGOの時定数：300 ns)
パイルアップした生信号積分回路で波形をなまらせFlash ADCでデータを取得⇒オフラインで波形を分離

整形後

サンプリング間隔:50 ns以内
(立ち上がり3点以上)

PMT定格駆動時のGain降下
80MeV陽子のスペクトル
ビームレート : 1 kHz
PMT : 900 V（定格）PMT : 700 V

エネルギー分解能s = 1%波高

波高Flash ADCを用いた波形読み出し法と先行研究結果
E40の実験条件
BGOの計数率 : 平均40 kHz・瞬間最大400 kHz (J-PARCのビーム構造による）波形のパイルアップ (BGOの時定数：300 ns)
パイルアップした生信号積分回路で波形をなまらせFlash ADCでデータを取得⇒オフラインで波形を分離

整形後

サンプリング間隔:50 ns以内
(立ち上がり3点以上)

PMT定格駆動時のGain降下
80MeV陽子のスペクトル
ビームレート : 500 kHz
PMT : 900 V（定格）波高

オペレーション電圧を下げ、PMTの出力電流を抑制

PMT : 700 V

波高

PMTの電圧:700 V以下
後段増幅でgainを補填

本研究の目的
BGOカロリーメータシステムの構築
読み出しシステムの開発
Flash ADCを用いた波形読み出し法
80 MeV陽子に対して、エネルギー分解能3% (s)以下エネルギー較正法の確立
高計数率下(~400 kHz)における安定性
トリガーレート5 kHzに耐えうるデータ転送速度

実機へ開発した読み出しシステムを基に実機(総数24)を構築
データ取得系を含めた評価を行い、E40実験での運用を可能とする。

BGOカロリーメータの読み出しシステム►イントロダクション►BGOカロリーメータの読み出しシステム►エネルギー較正法►実機システムの構築と評価►まとめFlash ADCに要求される機能• 50 ns以内のサンプリング間隔• Zero Suppression 機能• マルチイベントバッファ• トリガー前の任意の時間幅の選択が可
Flash ADC CAEN V1724を採用
10 ~ 30 nsで設定可能 ⇒30 ns間隔でサンプリングトリガータイミングを必ず含む⇒任意の領域を選べる機能を自作適したアナログ回路の設計・製作
積分&PZC

PMT

入力

非反転増幅
Ｃ

V1724

Vetoスイッチ

出力アナログ回路の設計思想
積分&PZC

PMT

入力

非反転増幅
Ｃ

V1724

Vetoスイッチ

出力アナログ回路の設計思想
積分&PZC

PMT

非反転増幅
Ｃ

V1724

Vetoスイッチ

出力

入力
積分とポールゼロキャンセレーション
500 ns程度
立ち上がり3点⇒100 ns

分解能の維持&十分な波形の分離能力

アナログ回路の設計思想
積分&PZC

PMT

非反転増幅
Ｃ

V1724

Vetoスイッチ

出力

入力

増幅
最大160 MeVの信号が検出される増幅率を調整⇒V1724のダイナミックレンジをフル活用アナログ回路の設計思想
積分&PZC

PMT

非反転増幅
Ｃ

V1724

Vetoスイッチ

出力

入力

Vetoスイッチ

余計な波形を取らない
TTL信号により2つのアナログスイッチを制御

Vetoスイッチの切り替え
DAQ mode
信号

Switch 1：切断
Switch 2：導通

定電流
DAQ mode
増幅段からの信号が出力
データ取得時のモード

Vetoスイッチの切り替え
rest mode
信号
1V

Switch 1：導通
Switch 2：切断

定電流
DAQ mode
増幅段からの信号が出力

rest mode
定圧電源から分圧した定電圧が出力

データ取得時のモード

V1724のZero Suppressionと組み合わせてVeto

記録データ量をコントロール

Vetoスイッチの応答
TTL信号によるスイッチの切り替え

Vetoスイッチの応答
陽子ビーム照射中に動作確認
FADC channel

リーク
ベースライン
rest mode

77.8 MeV陽子
time [ms]E40実験におけるデータ収集
16 ms

イベントタイミング

トリガー

FADCの閾値Vetoスイッチ
2 ms

V1724のZero Suppression
データ量削減 ～1/8

陽子ビームを用いた評価実験
2015/12CYRIC in Tohoku University

目的・PMTのオペレーション電圧の最適化
・読み出し回路の動作確認

77.8 MeVの陽子ビームをBGOカロリーメータに直接照射
コンディション
• Beam rate
1 ~ 700 kHz• HV of PMT
600 ~ 700 Vテンプレート波形によるフィッティング
1. 波形データから信号を探す。
2. フィッティング関数を用意する。
3. フィッティングする。

テンプレート波形

Flash ADCで取得した波形データ

フィッティングパラメータ
横軸方向の平行移動
縦軸方向のスケールファクター

時間 [ms]

信号分離&波高情報の取得

取得した波形データの例
5 ms間の波形データ
イベントタイミング

ビームレート： 1 kHz

ビームレート： 450 kHz

ビームレート： 700 kHz
波高を取得

取得した波形データの例
5 ms間の波形データ
イベントタイミング

波高分布(PMT: 700V)
ビームレート： 1 kHz

ビームレート： 450 kHz

ビームレート： 700 kHz

波高を取得

高計数率下における安定性波高分布
PMT電圧700 V, ビームレート450 kHz

ピークのビームレート依存性

630 V以下で十分安定

3%(s)

3%(s)

3%(s)

波高

50 kHz： 1.0%
450 kHz： 1.3%
高計数率下でも要求を達成

3%(s)エネルギー分解能

ビームレート[kHz]エネルギー較正法►イントロダクション►BGOカロリーメータの読み出しシステム►エネルギー較正法►実機システムの構築と評価►まとめ現象論的な較正式の検討
BGOの発光量(L)とエネルギー(E)の対応式(陽子入射時)
𝐸+𝑏
𝐿 𝐸, 𝐴, 𝑍 = 𝑎 × 𝐸 − 𝑏 ln𝑏○パラメータ𝑎[ch/MeV] :シンチレーション効率やエレクトロニクスから決まるgain𝑏[MeV] :クエンチング効果によるファクター

この現象論的な式で、波高とエネルギーの較正が可能か
波高とエネルギーの対応を4点取得
フィッティングを行い較正式を決定較正式の評価
ディグレーダーを用いた測定の波高分布→最頻値を取得（縦軸を1にスケール）4点の対応点
各測定点におけるエネルギーをシミュレーションで取得

直線𝑦 = 𝑎𝑥 + 𝑏によるフィッティング
各点における残差較正式の評価
ディグレーダーを用いた測定の波高分布→最頻値を取得（縦軸を1にスケール）4点の対応点
各測定点におけるエネルギーをシミュレーションで取得

𝑦 = 𝑎 × 𝑥 − 𝑏 ln𝑥+𝑏𝑏によるフィッティング
各点における残差較正式の評価
ディグレーダーを用いた測定の波高分布→最頻値を取得（縦軸を1にスケール）4点の対応点
各測定点におけるエネルギーをシミュレーションで取得

𝑦 = 𝑎 × 𝑥 − 𝑏 ln𝑥+𝑏𝑏(拡大)によるフィッティング
各点における残差

波高とエネルギーの較正式として有効

実機システムの構築と評価►イントロダクション►BGOカロリーメータの読み出しシステム►エネルギー較正法►実機システムの構築と評価►まとめ

実機製作の完了
２４本のBGOカロリーメータの設置

下半分ユニット合体

実機製作の完了
２４本のBGOカロリーメータの設置

View

実機製作の完了
２４本のBGOカロリーメータの設置

実機回路の製作
実機回路×24 ch

137Cs線源を用いたエネルギー分解能測定

全チャンネルで15% (662 keV)を達成
80 MeVに対して1.4%のエネルギー分解能が期待 (要求3%)DAQ効率測定
E40実験全体のDAQにBGOカロリーメータの読み出しを組み込んだ。
DAQへの要求: 5 kHz
チェッキングソースを用いてランダムトリガーを生成

1イベントのデータサイズ
VetoスイッチとZero Suppression機能⇒イベントタイミングの2 msのみ最大のword数を想定（全ch取得）⇒300 word, 転送時間 約130 ms

6 kHz以下で98%以上の効率→十分な性能

転送できたイベント数

DAQ効率=生成したトリガー数

その後の状況• 2017年1月
pp,pC散乱実験 at CYRICCATCHシステム初の実験

E40スケジュール2018年2月 コミッショニングをリクエスト
2018年6月以降 物理実験

まとめ

►イントロダクション►BGOカロリーメータの読み出しシステム►エネルギー較正法►実機システムの構築と評価►まとめ発表のまとめ• Sp散乱実験(J-PARC E40実験)のための検出器を開発中– BGOカロリーメータ• Flash ADCを用いた波形読み出し法• PMTが高計数率下で不安定• 高計数率下に対応した読み出しシステムの開発– アナログ回路の設計・製作– 波形解析プログラムの開発– 性能試験
• PMTの印加電圧: 630 V以下• エネルギー分解能 s=1.0%(50 kHz),1.3%(450 kHz) at 80 MeV proton• 現象論的なエネルギー較正式の有効性を確認• 実機(総数24)のBGOカロリーメータシステムの構築を完了– エネルギー分解能: s=15%以下 at 662 keV g ray– DAQ効率： 98% (6 kHz以下)• 来年本実験予定