計測システム研究会2016@J-PARC

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COMET実験における計測システムの放射線対策
AB

中沢 遊
BCBDA

ABABBD

上野一樹 、大石航 、沖中香里 、久野良孝 、佐藤朗 、中居勇樹 、ABCBCAAB

中村有希 、濱田英太郎 、藤井裕樹 、森津学 、吉田学立 、BDAE

山口博史 、山根峡人 、Jie Zhang 、他COMETコラボレーション
AB

C

D

E

阪大理 、Open-it 、高エ研 、九大理 、IHEP

2016.10.13

計測システム研究会2016@J-PARC

目次• イントロダクション•

ミューオン電子転換過程•COMET実験•

放射線環境と影響•

放射線耐性の調査対象• 放射線耐性試験•

放射線照射施設•

各照射対象について- FPGA、Regulator、DAC、ADC、Fine-mesh PMT、Preampliﬁer、APD

• まとめ

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イントロダクション

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ミューオン電子転換過程
ミューオニック原子
Decay In Orbit (DIO) （レプトンフレーバー保存）µ-µ

原子核+ N (A, Z) ! e+ ⌫µ + ⌫¯e + N (A, Z)

Muon Capture （レプトンフレーバー保存）µ + N (A, Z) ! ⌫µ + N (A, Z

1s軌道1)

ミューオン電子転換過程 （荷電レプトンフレーバー非保存）µ + N (A, Z) ! e + N (A, Z)
Ee = m µ
Batom
Ratom (Monoenergetic)

電子エネルギー

ミューオン質量束縛エネルギー

反跳エネルギー

荷電レプトンフレーバー非保存 (µ->eγ) の分岐比
54O
10標準模型 ：15O
10標準模型を超える理論 ：厳しく制限されているミューオン電子転換過程の発見は新物理を示唆する

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5COMET実験
Muon Transport SolenoidProton Beam

Pion Capture Solenoid

Detector part
Muon Stopping Target

目的 : ミューオン電子転換過程探索
2022年より測定開始 @J-PARC-17• 実験感度 (S.E.S.) ~ 310(先行実験の約10000倍)•

陽子ビーム : 52 kW (8 GeV)
信号 : 電子 (~105 MeV)
検出器 : Straw Tube Tracker & Ecal

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COMET Phase-I

目的 : Al原子中でのミューオン電子転換過程の探索•

2019年より測定開始 @J-PARC•

150日間の測定で実験感度 (S.E.S.) ~ 310-15(先行実験の100倍)

陽子ビーム : 3.2 kW (8 GeV)
信号 : 電子 (~105 MeV)
検出器 : Cylindrical Detector System (CyDet)

orStrECAL

CyDet → Cylindrical Drift Chamber (CDC) & Cylindrical Trigger Hodoscope (CTH)
StrECAL → Straw Tube Tracker & Electron Calorimeter (ECAL)

背景事象 : DIO電子 & ビーム由来の事象など

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7Cylindrical Detector System
Cylindrical Trigger Hodoscope
構成 : シンチレータとチェレンコフ検出器

CDC

シンチレータ : 高運動量の粒子を識別

Al標的

チェレンコフ : 電子を識別

光検出器 : Fine-mesh PMT
読み出し回路 : Front-end Board & COmeT TRIgger (COTTRI)

ンオーミュ

Front-end Board : APDによる光信号読み出し
COTTRI : CTHの信号処理及び、トリガーロジック用回路 (COMET独自)

COmeT TRIgger

トリガーカウンター
Cylindrical Trigger Hodoscope

Front-end Board
60mm

150 mm150 mm

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Cylindrical Detector System

8CDCで再構成される電子の運動量分布
Entry

Cylindrical Drift Chamber
用途 : 飛跡再構成による電子の運動量検出•

DIO電子は反跳効果により100MeV/c程度の運動量を持ちえる•

運動量分解能 : < 200 keV/c for 105 MeV electrons(シミュレーション)

Signal

読み出し回路 : Readout Electronics for the Central drift
chamber of the BElle ll detector (RECBE)•RECBEはBelle-II グループが開発•

波形情報とタイミング情報の読み出し

DIO
Electron momentum [MeV/c]

ASD
8ch/ADC

8ch/E

FPGA

LEMO

SFP slotConnector

RJ45Socket

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9StrECAL
Straw Tube Tracker
用途 : 飛跡再構成による電子の運動量検出•

運動量分解能 : < 200 keV/c for 105 MeV electrons

読み出し回路 : Read Out Electronics for Straw Tube
Instrument (ROESTI)•COMET独自で開発•試作機バージョン3まで完成しており次が最終バージョン

Electron Calorimeter

ECAL
Straw Tube Tracker

構成 : LYSO結晶•エネルギー損失量から粒子識別 (e/µ/π)

読み出し回路 : ROESTI

80 mm

ROESTI version 3

185 mmStraw Tube Tracker

Electron Calorimeter計測システム研究会2016@J-PARC

COMET Phase-Iにおける放射線量中性子

1eV ~ 8GeV

10PHITSによる計算
for COMET Phase-I

ガンマ線

検出器領域において
中性子 : ~1012 neutorns/cm2 (1MeVeq)
ガンマ線 : ~1 kGy (for 150 days)（＊）安全ファクター込み

検出器、読み出し回路はビームに近い位置に設置されるため、高放射線耐性が求められる

1meV ~ 8GeV

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放射線による影響と対策
FPGAファームウェアやデータの破損 : Single Event Upset (SEU)• 中性子と半導体原子の核反応により荷電粒子が生成される。
• これらが半導体内でドリフトすることにより電子正孔対が論理反転を引き起こす。
• 主な発生箇所
Conﬁguration RAM : 回路構成を決定するRAM
Block RAM : 一時的にデータを保管するRAM•

誤り訂正符号を使って修復（例) SEU発生模式図
中性子

修復不可能なエラー : UnRecoverable Error (URE)
UREはファームウェアの再ダウンロードで修正→ Error rate調査、FPGAファームウェアの改良
Si半導体のハード損傷 : Type Inversion• 中性子との衝突で荷電粒子が発生する。
• これによってできる不純物によりN型、P型が反転する。

安部晋一郎（九州大学）修士論文→ 耐性を持つパーツの選定
半導体素子の劣化 : Total Ionizing Dose Eﬀect (TID)など• 多量のガンマ線が半導体内において電離作用を引き起こす。
• 生成された電荷が固定電荷などを形成することで半導体素子を劣化させる。
→ 耐性を持つパーツの選定

11計測システム研究会2016@J-PARC

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放射線耐性の調査対象
放射線による影響渡合を確認するため、以下の部品において中性子、ガンマ線による放射線耐性試験を実施した。

CTH
Front-end
COTTRI
RECBE

ROESTI

ECAL

中性子

ガンマ線

調査目的

Regulators

done

done

選定

DAC

done

done

選定

Fine-mesh PMT

done

done

評価

FPGA

done

not yet

ファームウェア改良

ADC

not yet

done

選定

FPGA

done

not yet

ファームウェア改良

FPGA

done

done

ファームウェア改良

ADC

done

done

選定

DAC

not yetdone

選定

Regulators

not yetdone

選定Preampliﬁer

done

not yet

評価

APD

done

not yet選定

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放射線耐性試験13計測システム研究会2016@J-PARC

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照射施設TANDEM加速器 @神戸大学

TANDEMビーム : ~3 MeV 重陽子
標的 : Be (径20 mm)
中性子強度 : 1.6

108 neutrons/sr（＊）2016年7月 : 産総研やKEK RIグループの人と測定、現在解析中

試験実績
2014年12月• 2015年7月•2016年1月• 2016年3月••

2016年7月

高崎量子応用研究所

中性子ビームライン

九州大学 加速器・ビーム応用科学センター

線源 : Co-60

線源 : Co-60

ガンマ線強度 : 15Gy/h @60cm

ガンマ線強度 : 1.4 kGy/h @10cm

利用月 : 2015年1月

利用月 : 2016年(2013年8月)

東京工業大学RIセンター線源 : Co-60
ガンマ線強度 : 191Gy/h @40cm
利用月 : 2016年6月

東京工業大学RIセンター

Pre

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FPGA
中性子照射量 : >1012 n/cm2liminary

試験結果 : 永久的な損傷は確認されなかった
COTTRI、ROESTIと比べRECBEは割合が一桁異なる→ Artix-7とVirtex-5のテクノロジーの違いやチップの使用領域の違いが考えられる

課題 : ファームウェアのさらなる改良 や 遮蔽
SEU Rate* URE Rate*

URE Ratefor Phase-I*

CRAM SEU

70000
60000
50000
40000
30000
20000
10000
00468101214
The total SEUs

Neutron
CRAM UREUREvs vsNeutron(RECBE)
250200COTTRI

4.810-8

1.3

10-10

~1/20

150

RECBE

4.010-9

1.1

10-11

~1/13

100

4.010-8

1.6

10-10

~1/1650* Error Rate : Error/neutrons** URE Rate for Phase-I : URE/hours

2×1012

NeutronCRAM
UREThetotal UREs

COTTRI : Artix-7 (XC7A200T-2FFG1156C)
RECBE : Virtex-5 (XC5VLX155T)
ROESTI : Artix-7 (XC7A200T-FBG676-2)

The total neutrons

CRAM SEU vs Neutron (RECBE)

照射対象

ROESTI

15002468101214
The total neutorns

Neutron×1012

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16Regulators
中性子照射量 : >1012 n/cm2 (CTH用のみ）

ガンマ線照射量 : > 1 KGy

照射対象
CTH : (pos) LM317、LM2941、LT3086(neg) LM2991、LM337
ROESTI : (pos) LTM8023、LT3086、LMZ10503

試験結果 (優位な破損が確認されなかったもの)

Output Voltage [V]CTH : (pos) LM2941、(neg) LM337
ROESTI : (pos) LT3086 (許容範囲の出力電圧変化)(pos) LMZ10503
この結果を踏まえてCOTTRI用Regulatorを選定予定

ガンマ線 (ROESTI)LMZ10503

中性子 (CTH)
Before [V] After [V]Ratio

LM317+4.970+4.85097.6% △＊ LM294＊ LT3086+5.047+5.00599.2% ○+4.968+4.935

99.4% ○LM299＊ LM337-5.005-5.089-4.862-5.087

97.1% △
100% ○

ガンマ線 (CTH)
Before [V] After [V]Ratio＊ LM317+4.994+4.981

99.7% ○＊ LM294+5.083+5.061

99.6% ○

LT3086+4.954+0.2274.6%LM299＊ LM337-5.020-0.657

13.1%-5.156-5.153

99.9% ○(Regulators) 過去のガンマ線試験
LT3086

Gamma-ray dose [Gy]照射対象 : LMZ10503、LTM8023
試験場 : 高崎量子応用研究所 (2015年1月)
測定方法 : （左図同様）出力値を確認
試験結果 : LMZ10503 survive
LTM8023 dead

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17DAC
中性子照射量 : >1012 n/cm2 (CTH用のみ）

ガンマ線照射量 : > 2 KGy

照射対象

試験結果 (優位な破損が確認されなかったもの)
CTH : 出力値が安定していることから、MCP41050を使用予定
ROESTI : AD5324は出力電圧の変化があったものの許容範囲

Output [v]

中性子照射

CTH : MCP41050, microchip
ROESTI : AD5324、AD5624、AD5624R

Output [V]

課題 : AD5324の電圧変化を定量的に評価

電源Oﬀ時
外部ノイズ？

AD5324
Output [v]~1kGy

ガンマ線照射~1kGy

入力値
出力値

Dead
AD5624Unix time

入力値

AD5624-R
日時

Unix time

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ADC
COTTRI (AD9287)

ガンマ線照射量 : 1 kGy

ADC信号出力（照射前）
波高 [V]

照射対象
COTTRI : ADC (AD9287)
ROESTI : ADC (LTC2264)

ADCの評価方法（誤差はガウスフィットのσ）

試験結果

両サンプル共に明らかな劣化は確認されず

時間

ADCテンプレート波形との差分分布のRMSの総和
Integrated RMS [V]照射前と照射中の出力値を比較し、差分分布をイベント毎に評価
AD9287 : 差分分布のRMSを積算
LTC2264 : 差分分布の平均値をプロット

Run IDROESTI (LTC2264)
出力値比較

1

ADC出力値 : 照射前

0Gy0159318477636795954 1113

ADC出力値 : 照射中

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Fine-mesh PMT
中性子照射量 : > 1012 n/cm2

ガンマ線照射量 : > 2kGy

照射対象 : Hamamatsu、H8409-70
比較方法 : 照射前後でLEDの光を当て、出力値を比較(LEDからの光量はMPPCで調整)
試験結果 : ガンマ線により大きく損傷
課題 : 遮蔽が必要

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Preampliﬁer、APD
中性子照射量 : > 1012 n/cm2

ガンマ線照射量 : not yet

照射対象 : (ECAL用) Preampliﬁer、5mm APD
試験結果
Preampliﬁer : 優位な損傷は確認されなかった
APD : 中性子照射により暗電流が増加したが、波形解析で補償可能

PreampliﬁerDark Current [A]①、②、③はBeam oﬀ時の作業による変化

APD

暗電流が増加計測システム研究会2016@J-PARC

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まとめ（パーツ毎測定結果）
FPGA

Artix-7 (XC7A200T-2FFG1156C) for COTTRI : 永久的な損傷は確認されず（URE rate for Phase-I : ~1/20 hours)(中性子)
Virtex5 (XC5VLX155T) for RECBE : 永久的な損傷は確認されず (URE rate for Phase-I : ~1/13 hours) (中性子)Artix-7 (XC7A200T) for ROESTI : 永久的な損傷は確認されず（URE rate for Phase-I : ~1/1 hours) (中性子)

Regulator
LM2941 (pos)、LM337 (neg) for CTH Front-end : 異常なし (中性子、ガンマ)
LT3086 for ROESTI : 許容範囲の出力電圧変化 (ガンマ)LMZ10503 for ROESTI : 異常なし (ガンマ)DAC
MC41050 for CTH Fron-end : 出力値安定、異常なし (中性子、ガンマ)AD5324 for ROESTI : 許容範囲の出力電圧変化 (ガンマ)ADC
AD9287 for COTTRI : 明らかな劣化は確認されず (ガンマ)
LTC2264 for ROESTI : ガンマ線による異常なし (ガンマ)Fine-mesh PMT
Hamamatsu H8409-70 for CTH Front-end : 大きく損傷 → 遮蔽が必要 (ガンマ)Preampliﬁer
Preampliﬁer for ECAL : 優位な損傷なし (中性子)APD
APD for ECAL : 中性子照射により暗電流が増加したが、波形解析で補償可能 (中性子)計測システム研究会2016@J-PARC

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まとめCOMET実験-17

Al原子中でのミューオン電子転換過程をS.E.S. 3 10で探索 (2022年)

検出器 : Straw Tube Tracker、Electric Calorimeter-15

150日間の測定でS.E.S. 3 10の感度を目指したCOMET Phase-I が2019年より開始

検出器 : Cylindrical Drift Chamber

COMET Phase-I において検出器に要求する放射線耐性 (for 150 days)
12

中性子 : ~102neutorns/cm

ガンマ線 : ~ 1kGy

読み出し回路に使用する各パーツが中性子やガンマ線により損傷
中性子 : SEU、Type Inversion

ガンマ線 : Total Ionizing Dose Eﬀect

放射線耐性試験照射施設
中性子 : 神戸大学TANDEM加速器
ガンマ線 : 高崎量子応用研究所、東京工業大学RIセンター、九州大学

各回路パーツの選定、評価、改良を進めている照射対象 : Regulators、DAC、Fine-mesh PMT、FPGA、ADC、Preampliﬁer、APD