メモリ付きボードを用いたGEM型中性子検出器の性能評価
大阪市立大学大学院 理学研究科 数物系専攻

池口 直人
Contents・Introduction
・性能評価
・まとめ

大阪市立大学、KEKA
中野英一、宇野彰二A
KEK測定器開発研究室 MPGDグループ

Introduction
・ 良い時間分解能、比較的良い位置分解能を持つ
GEM型中性子検出システムは高強度パルス中性子源でのイメージング等に向いている→ 高レートでデータ収集が可能なシステムを目指す
・ 従来のボードでは高レートになるとTOF分布にひずみが出来てしまう→ ボードにメモリを搭載することで改善を目指す
・ 波長別中性子ラジオグラフィー（共鳴吸収）実験を行い吸収画像を得る

GEM型中性子検出器

・読み出しはストリップ方式
・10cm×10cmの領域で、x,yそれぞれ128本のストリップ・256chの読み出し従来のボード
ASD 32ch/chip with analog monitor

FE2009

+2.5V
-2.5V

FPGA

(For ASICs)

+3.3V

150mm

256 signal inputs(For ASICs)(For Digital Circuit)Analog Out
Reset In
Clock In
T0 In

Gigabit Ethernet
Port200mm
200mm

Block diagram
Analog monitor for a selected sig.

X-strips

Event buffer

GbE PHY
GbE

FE2009(ASD)

Y-strips

Sampler
at 10ns

SiTCP

Coincidence
unit

FPGA

TOF分布にひずみ

HV 3800V
約600kHz

上：Linear Scale
下：Log Scale

HV 4200V
約1600kHz

飛行時間分布で中性子頻度の高いところでデータ転送スピードが飽和して、十分にデータが送れない。

新型メモリ付きボード
FE2010

4MBのメモリを搭載
Analog Out

電源がシンプルに。
ノートPC用ACアダプ
タータイプが使用可能。12V
Reset In
Clock In
T0 In (NIM)
T0 In (TTL)

Gigabit Ethernet
PortBlock diagram
Analog monitor for a selected sig.
X-strips

FPGA

Event buffer

GbE PHY
GbE

ASIC（MPGD-ASD）

Sampler
at 10ns

SiTCP
New board
4MB
MemoryY-strips

Coincidenceunit

変更点• データサイズの最小化：10byte → 5byte• 時間情報を圧縮：64bit → 24bit• データ転送スピードの最大が1Gbps = 1000Mbps/(5byte×8bit) = 25MHz• 4MBのメモリを搭載→ 4MB/5B = 800kイベント蓄えられる• 中性子発生頻度の高いところではメモリにデータを蓄積し、発生頻度の低いところでデータが転送することでTOF分布の歪みを解消、平均データ収集レートがあがるはず• 電源がシンプルに• 拡張機能を追加

中性子照射実験＠北大LINAC

強度がそれほど高くないので、高レート特性の評価は出来なかったが、中性子ビームで問題なく動作する事が確認出来た。

拡張機能
１つのクラスターとして検出する読み出しストリップの幅を
1〜15まで選択可能に。(今までは1〜5のみ）
StripによるRate特性

50000
40000

Rate(Hz)

30000
20000
10000
002468Strip→ クラスターの広がりが5ストリップ程度だと確認できた

10

テストパルスによるレート試験

従来の256ｃｈボードのレート特性

Test pulse
従来の256chボードのデータ転送レートは理論的には0.95G (bps) / 80 (bit/event) = 11.87M (count/sec)
これを確認するために、テストパルスを用いて測定を行った。

メモリ付きボードのテストパルスによるレート試験
メモリ付きボードのデータ転送レートは、理論的には0.95G (bps) / 40 (bit/event) = 23.75 M (count/sec)
メモリ付きボードのレート特性(テストパルス)
14Output(MHz)12

12.4 M(count/sec)

108642002468
10Input(MHz)

アナログ出力も12.4 MHzまで→ 信号処理に問題？？

121416X線照射実験
金GEMで電子に変換全面照射
Rate特性(X線)4.5
4

最大3.8MHzCounting Rate(MHz)

3.5
32.5

最大2.5MHz2

メモリ付きボード

1.5

旧ボード

10.5
002

46電流(mA)

810

New Board Rate特性(X線@20kV)
7Counting Rate(MHz)65

最大5.85MHz

432
10010203040電流(mA)

50

スリットをしぼるとCounting Rateが上がった→ 転送されるデータ量が少なくなったため？

6070

データ受け取り側のPCの性能によりCounting Rateが下がる可能性がある→ 処理能力の高いPCで測定を行った
Rate特性@ペンギンPC(X線,30kV)
7Counting Rate(MHz)65

最大6.1MHz

43
2
1005

101520電流(mA)

25303540

データ処理能力の高いPCを用いることで、Counting Rateが向上する可能性がある

CPUの性能

6.1MHzCore i7-4500U

5.８MHzCore i7-720QM

X線発生装置による画像

中性子照射実験＠J-PARC• J-PARCのMLFのBL22で中性子照射実験を行った• BL22は世界初のパルス中性子イメージングライン• 中性子強度は9.8×107 n/s/cm2 と高強度である• メモリ付きボードの最大転送レートは2.2MHzとなった

J-PARC BL10(従来のボード）
2000

以前のカウントレート・北大 700kHz (2010)
・RAL 400kHz (2011)

Counting Rate (kHz)

1600

1200

1.6MHz(BL10)80040003300

3500

3700

3900

Applied High Voltage (V)

4100

4300

今回メモリ付きボード
2.2MHz(BL22)

1.6MHzでのTOF分布

従来のボードメモリ付きボード

高レートになっても、メモリ付きボードではひずみが少なく見える→ データサイズの違いにより、飽和していない可能性

メモリ付きボードのTOF分布

1.6MHz2.2MHz2.2MHzになるとTOF分布がひずんでしまう→ メモリをうまく使えていない可能性がある

波長別中性子ラジオグラフィー
EUROコイン試料ごとに中性子の反応断面積が異なる。
波長別に吸収画像を得る。
(厚さmm)

• 試料ありのデータと試料なしのデータを取得• 試料なし/ありのTOF分布を試料のある領域でそれぞれ作成する

CoのTOF分布

CuのTOF分布

MnのTOF分布

Co(100μs〜137μs)

Co(13μs〜18μs)

Cu(26.5μs〜29μs)

Cu(22. 5μs〜25μs)

Cu(53μs〜55μs)

Mn(70μ〜75μs)

BL10での取得画像(データ量120Mevents)

今回の取得画像(データ量854Mevents)

・EUROコイン

②Cu
③Zn
Cu
①Co

CoはNi原料中に含有①Co(100μs〜137μs) ②Cu(26.5μs〜29μs) ③Zn(56.5μs〜58.5μs)

①Fe(3.0μs〜5.5μs)②Mn(70μ〜75μs)③Co(100μs〜137μs)④？(142μs〜145μs)

イメージング可否の指標(BL10)
Co(132eV)

イメージング成功グループ

Mo(45eV)Mn(340eV)
Ta(4.3eV)Fe(27760eV)

Cu(2038eV) Al(5900eV)
Cu(579eV)Co(5060eV)

イメージング失敗グループ→今回はこのグループもイメージング出来た？

Cross Setion index ：Σp : 共鳴ピークでのピーク巨視的断面積(cm-1)
T : 試料の厚さ(cm-1)
dE : 共鳴ピークの半値幅(eV)E : 共鳴ピークのエネルギー(ev)まとめ• メモリ付きボードの性能評価を行った• テストパルスでは12.4MHzで頭打ちとなった（期待の半分程度）• X線照射実験ではビームをしぼると5.8MHzまで転送レートが上がった• データ受け取り側のPCの性能に問題あり？
• BL22で中性子照射実験を行った• 最大レートは2.2MHz程度• メモリがうまく使えていない可能性がある• 共鳴吸収画像をうまく取得できた

今後• 読み出しをストリップ方式からパッド方式に変更することでレートの向上• 48×48 = 2304 chとなり、9枚のボードが必要• 位置分解能も悪くなる• 読み出しを5×5の領域で４分割• １つの領域は現在と同じ128×128のストリップ方式で４枚のボードを使用• ストリップ幅を現在の半分にし、位置分解能
は向上
10cm
5cm
5cm

128ch
128ch

10cm

おわり

Back Up

位置分解能B-Cathode50μm-GEM1
50μm-GEM2
Readout

0.5or1.0mm
1.5mm
1.5mm

左下：BL22、1.0mm
σ:0.74mm
FWHM:1.74mm
右下:北大LINAC、0.5mm
σ:0.35mm
FWHM:0.82mm

前川 （JAEA)