APDを用いた結晶シンチレーターの読み出し光量測定
奈良女子大学高エネルギー物理学研究室 4回生
尾﨑 恵美

卒研発表会

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目次

1.はじめに
2.測定準備3.測定・解析
4.まとめ

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概要
• γ線はシャワー(𝑒 + 、 𝑒 − 対生成と制動放射の連鎖反応)を形成させて検出する• シャワーの形成によりエネルギー測定する検出器を電磁カロリメータ―と呼ぶ
プリシャワー検出器• 吸収層とピクセル検出器を合わせたものを一層としてこれを三層重ねたもの• シャワー中の𝑒 + 、 𝑒 − 通過位置を検出することでγ線の到来方向がわかる• 低いエネルギーのγ線は3放射長で全て吸収されるものもある• 吸収層の部分を通過中のエネルギー損失も測りたい→シンチレータ―のAPD読み出しを試す
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メインの電磁カロリメーター

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Belle Ⅱ実験
Belle Ⅱ測定器
• 7GeVの電子と4GeVの陽電子を衝突させる衝突型加速器(SuperKEKB加速器)の衝突点に配置されている• 衝突によるB中間子と反B中間子の生成から、粒子と反粒子の対称性の破れや新しい物理法則を探索• 異なる役割をもった7つの検出器で構成[電磁カロリメーター]• シンチレータ―でシャワーが起こるとエネルギーに比例した量の光を発するのでこれを電気信号として読み出す• 数十MeV～数GeVの広い範囲のエネルギーを検出可能• 一方でγ線の到来方向への感度は乏しい
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γ線の到来方向の感度• γ対に崩壊する暗黒物質をAxion LikeParticle(ALP)と呼ぶ• ALPの中には衝突点から数十cm程飛行した後に崩壊する長寿命粒子となるものがあり得る• γ線は中性なので飛跡が見えない• γ線の到来方向の感度が良くなること
で運動量ベクトルが正しく求められ、ALPの質量の再構成が改善

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ビーム衝突点

飛跡検出器

長寿命粒子γγ

電磁カロリメーター5

アクティブ吸収層でのエネルギー損失• 本研究ではアクティブ吸収層にFast-LGSOシンチレータ―を用いる• 荷電粒子が物質を通過するとイオン化や励起によりエネルギーを失う

Fast-LGSO

発光量(NaI(TI)=100)~90

減衰時間(nsec)

30~36

密度(g/cm^3)

7.3~7.4• 単位長さ当たりのエネルギ損失はβγ=3付近で最小となる=MIP(Minimum Ionizing Particle)•12mm

このとき荷電粒子は1𝑔/𝑐𝑚3 の物質を1cm通過するときに約2MeV失う
本研究で使用した厚み12mmのFast-LGSO結晶では
2 𝑀𝑒𝑉 × 7.4 𝑔/𝑐𝑚3 × 1.2 cm ≃ 17.8[𝑀𝑒𝑉]

荷電粒子が通過する際のエネルギー損失
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APD (Avalanche Photodiode)とMPPC(Multi-Pixel Photon Counter)• シリコン半導体の内部に強い電場勾配を作ることで電子なだれを引き起こし、信号を増倍させる機能を持つ半導体素子• 降伏電圧以下の電圧で扱うことで、増幅率10～100倍程度で入射した光量に比例した出力を示す• 本研究では浜松ホトニクス社製のS8664-55型を使用する

APD(S8664-55)

MPPC(S13360-6050CS)• ピクセル化されたガイガーモードで動くAPDをMPPCとよぶ。

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APD読み出しにする動機• 先行研究ではアクティブ吸収層にFast-LGSO結晶+MPPCで光量を測定した

12mm

Fast-LGSO• MPPCの特徴としては増倍率が約10万倍と高くフォトンカウンティング能力があるのでCs137線源からでる662keVのγ線が光電効果を起こす全吸収ピークを観測した• 荷電粒子が貫通すると平均で十数MeVのエネルギー 荷電粒子が通過する際のエネルギー損失損失を起こすがMPPCは測定できる光子数の範囲（ダ≃ 𝟏𝟕. 𝟖[𝑴𝒆𝑽]
イナミックレンジ）が狭くて測れない→そこで本研究ではダイナミックレンジの広いAPDとFast-LGSO結晶を用いて宇宙線の測定を行った。 APDはMPPCと比べて増幅率が小さいため信号が微弱。
信号を見るためには増幅器(チャージアンプ)を入れる必要がある。
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チャージアンプ(電荷積分アンプ)

・電流信号を電圧信号に変換(反転増幅)

𝑉𝑜𝑢𝑡 = −𝑄𝑠𝑖𝑔
𝐶𝐹𝑡×𝑒−𝐶 𝑅

𝐹 𝐹

・時定数は𝐶𝐹 𝑅𝐹 で決まる

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チャージアンプのテスト方法
入力パルス
V𝑖𝑛 (𝑉)

𝑄𝑇
𝑉𝑜𝑢𝑡 = −CF

入力電荷 Q 𝑇 = 𝐶𝑇 𝑉𝑖𝑛

V𝑜𝑢𝑡 (𝑉)
出力パルス• TEST INに右上のような矩形波を入れた時の出力は右下の波形になる• 本研究ではオペアンプはtexas insturments社のLM6142を使用する

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目次

1.はじめに
2.測定準備・アンプの作成
3.測定・解析
4.まとめ

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アンプの作成：回路図
Clock GeneratorでNIMパルスを入れる

ポールゼロキャンセル

非反転増幅

このような信号が見えるはず

電荷増幅(チャージアンプ)• チャージアンプだけでは出力インピーダンスが大きくなってしまったため、それを下げるためにポールゼロキャンセルを入れた• ポールゼロキャンセル部分での信号減衰を回復させるために非反転増幅回路が入っている
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使用した装置

電源装置

Attenuator
信号を減衰させる装置

Clock Generator
NIMパルスをTEST INに入れる
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オシロスコープ
ch1 NIMパルス
ch2 出力パルス
トリガーはch1

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アンプの動作確認結果

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アンプの動作確認の結果

450
400
y = 0.5043x - 5.3113
350

NIMパルスVout(mV)

300
250
200
150

100

出力パルス

5000100

200

300

400

500

600

700

-50Vin(mV)• 幅20μs、電圧120mvのNIMパルスを入れた• 時定数CR=1pF×5MΩ=5μsとだいたい一致している• 右図はAttenuatorでNIMパルスの電圧を変えて測定した結果である• 増倍率は0.5V/pCほど• テストした0.8pCまでの範囲では入力電荷と出力波高が正比例していることを確認した• これを使って宇宙線測定を行う
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15800

目次

1.はじめに
2.測定準備3.測定・解析
4.まとめ

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セットアップの概略図

+HV
恒温槽

PC

アルミシャーシLAN

FastLGSO結晶

Amp

オシロスコープ• HVは384V• 静電遮蔽するためにアルミシャーシに入れる• APDは温度特性があるので恒温槽(25℃)に入れる

APD

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使用した装置

恒温槽の中アンプの電源 HV用電源

恒温槽

オシロスコープ

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18ローパスフィルター
高周波数成分をカット

宇宙線の測定の回路図→HVのノイズを取り除く役割
HVがかかっているのでコンデンサーは高耐圧のものを使用

保護抵抗
信号形成時はこれの両端に電位差が発生

アンプ回路

カップリングコンデンサー

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回路の写真
アンプ回路

APD回路

・Fast-LGSO結晶の大きさ40.0mm×40.0mm×12.0mm・ 反射材の白色GoreTexシートで包んでいて、光検出器の受光面の大きさにあうように窓を開けている・APDの受光面の大きさ5mm×5mm

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測定結果

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測定結果

• 数秒に一回信号が見えた• 宇宙線は1𝑐𝑚2 に一分に一回ほどの頻度• 逆向きにオーバーシュートしているので解析時に手当
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データ収集方法• アンプの出力パルス自体でトリガー• イーサーネット経由でデジタルオシロ
スコープから波形データをPCにブロック転送することによりデータ収集した• 10000イベントのデータが集まるように測定した収集したデータを解析して信号電荷の分布をみる
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データ解析方法①• 一つの波形は40nsec間隔で1000点の時系列データ• 収集したデータは8bit整数値になっているので電圧値に +127直す必要がある• i番目のデータの値を 𝑥𝑖 とすると
𝑉𝑖 = 𝑥𝑖 ×

50 𝑚𝑉/𝑑𝑖𝑣 ×8[𝑑𝑖𝑣]2560• 無信号時の基準値をとるために各イベントで100番目までのデータの平均をとりその値をゼロ点Vpedとした。
𝑉𝑝𝑒𝑑 =σ99
0 𝑥𝑖-127

50 𝑚𝑉/𝑑𝑖𝑣 ×8[𝑑𝑖𝑣]×100256• 信号のデータとゼロ点との差をΔVとする
𝑉𝑖 − 𝑉𝑝𝑒𝑑 = Δ𝑉

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データ解析方法②
信号電荷の求め方• 信号電荷は電圧値を積分して求める

𝑉 𝑡 = 𝐼(𝑡) × RI(t)伝送線
レモケーブルオシロスコープ

Q = σ𝑗 ΔQ𝑗 ＝ σ𝑗(I𝑗 × Δt)= σ𝑗

出力50ΩVΔ𝑉𝑗
𝑅× Δ𝑡• R=50Ω• Δtは1000点のデータの時間間隔Δ𝑡 =レモケーブルの特性インピーダンスが50Ωなので、オシロスコープの終端抵
抗は50Ωに設定

4[μ𝑠/𝑑𝑖𝑣]×10[𝑑𝑖𝑣]1000• オーバーシュートした部分を取り除くためΔV>0のときだけ足し合わせる

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解析結果と今後の課題

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結果
• トリガーを20mVにしてデータを収集した• 目で見てランダウ分布を確認できた• エネルギーの低い部分でのイベントの集中が見られる

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今後の課題• トリガーを20mVにしてデータを収集した• 目で見てランダウ分布を確認できた• エネルギーの低い部分でのイベントの集中が見られる↓
理由を理解するためには宇宙線の天頂角分布をいれたシミュレーションを行いその結果と比較する必要があると考える

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目次

1.はじめに
2.測定準備3.測定・解析
4.まとめ

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まとめ
• プリシャワー検出器のアクティブ吸収層プロトタイプを製作した• Fast-LGSOシンチレーター+S8664-55型APD• 電荷積分型アンプを製作した。増幅率は0.5V/pCであった• これらをつないだセットアップで宇宙線の信号が見えた• 波高分布は荷電粒子が通過する際にみられるランダウ分布をしている• エネルギー損失が小さい領域にイベントの集中があった• 理由を理解するために宇宙線の天頂角分布を入れたシミュレーションが必要と考えられる

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BACK UP

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電磁シャワー
電磁シャワー

電子 陽電子 γ線

・高エネルギーの電子や光子は物質に入射すると、制動放射や電子陽電子対生成が連鎖反応的に起こる(電磁シャワー)・物質が十分に重くて大きい場合、そのエネルギーのほとんどを物質中で失う。
制動放射

電子陽電子対生成

結晶シンチレータ―で電磁シャワーが起こるとエネルギーに比例した量の光を発する。
光検出器を使ってこの光の量を電気信号に変えて読み出す。

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半導体検出器(光を電気信号パルスに)ダイオード
・p型半導体とn型半導体を接合・接合界面で電子と正孔が中和した空乏層が生成される・逆バイアスを印加すると正孔がp側、電子がn側に寄せられ空乏層が広がる

p型半導体

空乏層

n型半導体

空乏層に光の入射や荷電粒子の通過があると、光電効果や電離により電子・正孔対が生成される。これが動くことにより電流が流れるので、信号パルスとして取り出す。
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APD(avalanche photodiode)・シリコン半導体の内部に強い電場勾配を作ることで電子なだれを引き起こし、信号を増倍させる機能を持つ半導体素子
・APDの動作モードにはガイガーモードとプロポーショナルモードの二つがある。ガイガーモードは電子なだれが起きるブレイクダウン電圧以上の電圧で全面にアバランシェが広がるモードであり、増幅率が高いがAPDに入射した光子数に無関係の出力信号パルスを出す。
・一方でプロポーショナルモードではブレイクダウン電圧以下の電圧でアバランシェを作るので増幅率は10～100倍程度となり、APDに入射した光量に比例した出力を示す。この実験ではプロポーショナルモードを使う
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APDの原理
絶縁膜

電極

光光

電界強度

p+型半導体P-型半導体

光吸収層

p型半導体

電子加速層

電子雪崩

電流n型半導体
電極

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Fast-LGSOシンチレータ―
CsI(Tl)FastLGSO

発光量(NaI(TI)=100)

165~90減衰時間(nsec)

1300

30~36

密度(g/cm^3)

4.51

7.3~7.4

潮解性

若干有無発光波長(nm)

560

410

・発光時間が短い→パイルアップ軽減

・ 大きさは40.0×40.0×12.0mm
・反射材である白色Gore-Texシートで包んでいて、光検出器の受光面の大きさにあうように窓を開けている。

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APDのデータシート

浜松ホトニクス社カタログより抜粋

・Fast-LGSOの発光波長410nmで量子効率は約70％

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ローパスフィルター②APDの動作確認：回路図

高周波数成分をカット→HVのノイズを取り除く役割
APD回路

HVなのでコンデンサーは高耐圧のものを使用

5MΩ

LED回路

+350V
1nF(1kV)

電流が流れるのを防ぐ

100Ω

TTLパルス

5MΩ
LED

1nF(1kV)

バイパスコンデンサ

OUT
APD• 使用したLEDは日亜化学工業株式会社製のNSPB320BS• LEDを光らせるためにClock GeneratorからTTLパルスを入れた
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②APD回路の動作確認：セットアップ
LED回路

APD回路

ClockGenerator• 回路基板をアルミシャーシにいれ静電遮蔽し、それを黒幕で覆うことで外からの光が入らないようにした
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②APD回路の動作確認：結果• 左はHVオフ、右図はオンにしたときのもの• オンオフで差が見えるのでAPDが動作していることがわかった→アンプの作成、APDの動作確認ができた
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宇宙線測定のセットアップ：使用した装置

恒温槽(↓中身)
オシロスコープ
アンプの電源

HV用電源

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