液体アルゴン検出器の開発と理解

佐藤文孝(KEK), 渡辺孝太(岩手), 岩崎裕也(横浜国立)田中真伸(KEK), 池野正弘(KEK)

新学術領域「ニュートリノフロンティア」研究会
2013年12月8日＠クロス・ウェーブ府中

大型LArTPCの実現に向けて大型化に向けたR&D- アルゴン純化システム- 高電圧印加システム (渡辺)- 低ノイズ、高ゲインエレクトロニクス (岩崎)
検出器応答の理解と安定した運用ノウハウの確立- 宇宙線、粒子ビームを用いた検出器応答の理解- 読み出し手法 (基板、ワイヤー、信号増幅)

250L検出器を用いたソフトウェア、解析手法の確立

研究を進めている- 検出器シミュレーション- 事象再構成

75

S. Amoruso et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 516 (2004) 68–79

LAr中での信号の減衰
電離電子はドリフト中にアルゴン中の不純物(O2, H2O)により吸収され減衰する。

→ アルゴン純度の向上- 電子の平均寿命は不純物の濃度に反比例- 3ms @ 0.1ppb→ 高電場の印加- 電子のドリフト速度を上げる- 1.6mm/us @ 500V/cm- recombination の軽減

Table 1
Measured values of the drift velocity ðvd Þ for different electric~jÞ at T ¼ 89 K from physical events andfield strengths ðjE
purity monitor data samples~5mドリフトさせるには~jjE(kV/cm)

vd
ðmm=msÞ

sample- 500V/cm →250kV Imaging
0.304
1:16970:003
0.405
1:38570:005- ドリフト時間: 3ms→純度0.1ppb以下
0.506
1:55170:015の達成が必要。

0.607
0.708

1:5670:02
1:68270:012
1:6870:021:79270:025
1:7870:03
1:89370:025
1:96470:006
2:05770:011
2:0370:03

各要素の要求に基づいて宇宙線測定をして0.810
0.911
1.012

検出器の理解を進めている。

Event type

TracksTracksTracksShowerTracks
ShowerTracks
ShowerTracks
TracksTracksShowerwith data previously measured by using smaller
detector prototypes [6,7]. For the minimum ionizing tracks and shower events, the error on thedetermination of the drift velocity due to thedispersion of the measurements includes (1) theprecision on the knowledge of the cathode–anodedistance, that can locally vary because of the nonperfect planarity of the cathode (less than 5 mm),and (2) by the small gradients of temperatureinside the LAr volume.
The compilation of the results for drift velocities
at low (purity monitors) and high electric fields ispresented in Fig. 6 (points) together with the resultof a 5-parameter polynomial fit to the data (solidline). The polynomial function describes very well
the behavior of vd over the whole range of electricfields. For comparison, the prediction from theempirical function proposed in Ref. [8], calculated
at the nominal temperature of 89 K; is also shown(dashed line). The two results are in goodagreement.

Driftvelocity
Drift velocity(mm/µs) (mm/us)

Three different samples of data were used forthe vd measurements: (1) single, long minimum
ionizing tracks crossing the volume from anode tocathode or vice versa, (2) large shower events
extending over the whole drift region, and (3)signals from the purity monitors. In all three cases
the drift velocity was extracted from the ratio of
the cathode–anode distance and the measured
electron drift time: vd ¼ lCA =tCA :For the two first data samples (single tracks andshowers) lCA is the maximum drift distance forcooled detector conditions ð1482 mmÞ: The drift
time tCA is obtained using the recorded signal
waveforms from the two wires corresponding to
the entry point and to the exit point of the tracks.
In the purity monitor sample, lCA is the distance
between the anode and cathode grids ð160 mmÞand tCA is the measured drift time of the electron
bunch between the two grids.
The measured values of the electron drift
velocity from the three data samples at different~jÞ are reported in Table 1. Theseelectric fields ðjEvalues corrected for temperature are consistent

3ICARUS T600

LAr Temperature T = 89 K
2.5

2

1.5

1

long tracks
showers

0.5

purity monitor
P5 Polynomial fit
00

0.2

0.4

0.6

0.8

1E-Field (kV/cm)

1.2

E−Field (kV/cm)

Fig. 6. Electron drift velocity in LAr as a function of theelectric field, as measured in the ICARUS T600 half-module.

✴performance (Q sharing, noise) is under study!
noise high gain ASIC electronics✴low#%0L液体アルゴン容器に有効体積Lboard (250L LAr)!"#$#$%&'(#)(*+("',-#.$(/0%(121(3&'456$7((二次元アノード基板の開発
2*(40cm x 38cm) boards
6.4cm x 6.4cm
cm.,(%(%9"&'(>'BQ',&$#(1%':49';<;'J"&)?P%=''
x 40cm x 76cmのTPCを設置!

#%

!(
!

9D&E4(C#44'C$#"(G^"2)'C())&C%(,'GHEB($'CH4#I#J%(EB(#&'4'-(,B(3&'456$()",A'K#"L?(
2*(40cm x 38cm)
boards
6.4cm x 6.4cm
board.,(%(%9"&'(>'BQ',&$#(1%':49';<;'J"&)?P%=''-H23'%&CH)(D(N9'23'("&)&#'$3'J"&)?P%'>,$5&K(,O7'
2D anode padx-viewboard

20mm
28mm 28mm/M,4#0.(G,4,L,N(G?OCHE-,N(M?6L'4#7((Anode:8$)(41'-$)$O$S'-7!CH2#$S'87PO&)(=''
-H23'%&CH)(D(N9'23'("&)&#'$3'J"&)?P%'>,$5&K(,O7'30mm

30mm
20mm

2x(38x40cm):8$)(41'-$)$O$S'-7!CH2#$S'87PO&)(=''`II15'"$#3'@>>.A(&,-B(`II15'"$#3'28mm
BII15'3"$C&
BII15'3"$C&

x-viewG^"2)'C())&C%(,'10年10月にJ-PARC
K1.1BRにて荷電
GG7\'^7VC5'*>>.A(B&,C'30mm
20mm 28mm
28mm28mm

GG7\'C5'^7VC5'+G'+G'+B' +A'+B'+V'+A' +V'99?F(C5'D?;CA(cG' cB' cA' cV'^7VC5'.&*)
cG' cB' cA' cV'^7VC5'/G' /B' /A' /V'CA(,4G^"2)'C())&C%(,'QG'/G'QB' QA'/B'QV'/A' /V'
GBC5'21mm
4D?;CA(G^"2)'C())&C%(,'QG' QB' QA' QV'
G D-M/子ビームテスト(T32実験*)<9( <*( <:( <;(21mm89( 8*( 8:( 8;(x-viewTo connector

GBC5'To connector+B' +A' +V'
G +G'D-M/21mm

Drift(40 cm)=9( =*( =:( =;(Cathode

cG'cB' cA' cV'(540MeV/c+, proton 9D&E4(C#44'C$#"(beam~ +:(800MeV/c)+9( +*(+;(To connector

9*CA( /V'+V'+G' /G'+B'/B' +A'/A'<DPFF

To connector

cB' cA' cV'
38cm
D anodecG'(76strips,1cm pitch)
To connector

QG'QB'QA'

QV'

40cm

<DSFFy-view<DSFF

I7`55'"$#3'

89( 8*( 8:( 8;(温・循環装置の改良、高電圧装置
38cm/G' Murphy/B' ETHZ/A' I7B55'3"$C&/V'Sebastien!29<DPFFPMT

NNN Kashiwa 10-13 Nov 2013

40cm
Fiducial mass

170kgy-view

D、2次元アノード読み出しの試験

volume!Fiducial
2
940x40x76cm
NNN Kash- PCB技術(etchingによる基板制作)を用いて!"%$$
進めている40cm
Total LAr mass

76cm
~400kgRead out method

2D anode pad

QG'To connector

QB'QA'<9(QV'<DSFF

<*(<DSFF

<:(I7`55'"$#3'
I7B55'3"$C&
Sebastien Murphy ETHZ

=9(=*(=:(<;(=;(+9( +*( +:( +;( !"#$$
4mm pitchの２次元読み出し技術の開発。

y-view
one channel- 宇宙線、粒子ビームデータ取得による検出!"#$$

(*cf. D.Lussiʼs Thesis,>?@AA(&,-B(
http://dx.doi.org/10.3929/ethz-a-010008070)>?*AA(B&,C'
器応答の理解を進める。

# of channels

40cm

4x4mm190(x)+200(y)宇宙線データ取得
cm x 40cm x 76cmのTPCを設置

0L液体アルゴン容器に有効体積- 宇宙線データによる検出器理解

Anode

- 140kトリガー分の宇宙線データを取得@2013/4
10年10月にJ-PARC
K1.1BRにて荷電Drift(40 cm)子ビームテスト(T32実験*)- Anode gridに-1000V、500V/cmの電場を印加- 検出器の一部で放電が起こり半分のpadでのデータ取得 (38x40cm、95x100チャンネル)Cathode+, proton beam (540MeV/c ~ 800MeV/c)

D anode (76strips, 1cm pitch)μPMT

温・循環装置の改良、高電圧装置- シンチレーション光によるセルフトリ
D、2次元アノード読み出しの試験
ガーによりデータ取得進めている- 低温環境におけるHV, PMT, etc..の動作確認
40cm

76cm

40cm

- 2D anode padによる３次元飛跡再構成(*cf. D.Lussiʼs Thesis,を目指す
http://dx.doi.org/10.3929/ethz-a-010008070)

宇宙線データ取得

Drift time (us)X-Z view

Channel (x4mm)

Y-Z view

Channel (x4mm)

宇宙線飛跡再構成
1. Noise reduction- Coherent noise filter- Median filter- FFT filter
2. Baseline calculation
3. Hit finding
4. 2D track reconstruction- Hough transform method
5. 3D track reconstruction- ETHZと共同でMC、再構成ツールの開発を行っている。
- 今後MCの実装とチューニング、再構成手法の評価、向上を行う

Z (mm)MCY (x4mm)

X (x4mm)

1600

1200

検出器応答の理解

1400
1400

1000
800

1000

600

800

400
200001200

1200

1000
800

600

600

400

400

200

200

各チャンネルの信号量
20406080

100 120 140 160 180 200

0020406080

ADC count

100 120 140 160 180 200800

検出器をMIPとして通り抜ける宇宙線ミューオン信号を用いた、実データによる検出器の較正手法の確立を目指す。
チャンネル間の信号量の理解をlow levelから進める。
- アンプのゲイン測定- 信号入力テスト- ケーブルなどによるChごとの抵抗、

800

406080100 120 140 160 180 200

900
800

600

700

500600600500

40040020ADC count

700

700

500

00ADC count

400
300

300

300

200

200

100

100000020406080

100 120 140 160 180 20020010020406080

ADC count

100 120 140 160 180 200

2000
1600

1800

1400

1600

1200

1400

400

1000
800

600

600
400

200

200

00006080

100 120 140 160 180 200

ADC count

100 120 140 160 180 200

1200

400

4080

ADC count

200
2060

1400

800
600

401600

1000

800

201800

1200

1000

00

ADC count

20406080

100 120 140 160 180 2000020

ADC count406080100 120 140 160 180 200

ADC count

検出器内の電場シミュレーション

検出器容量の違い- トラックの角度による応答の違い- 電場の非一様性の評価
最終的な運動量、エネルギー測定、dE/dXによる粒子識別手法の確立を目指している。

AnodeGridドリフト時間による信号の減衰から電子の平均寿命(液体アルゴンの純度)を見積もる。
電子はドリフト時間の関数としてexpで減少

ADC count
Charge (arbitrary)

LAr 純度評価

純化装置の改良などにより0.1ppb以下を目指す。
- モレキュラーシーブ- 酸素吸着剤- 循環系の最適化

250
800

200
150

600

100

400

50200

Drift time [µs]r2 / ndf

Charge(arbitrary)Mean
ADC count~0.3ppbを達成→今後長期的な安定運用のテストを行う。

100

0150 200 250 300 350 400 450 500 550 0Q(t) = A exp(-t/τ)Q(t) : 測定電荷t : Drift time
τ: 電子の平均寿命

300

209.8 / 51908070A

98.22 ± 9.67o

734.3 ± 154.1

F(t) = A exp(-t/ o)

60
504030150 200 250 300 350 400 450 500 550

Drift time [µs]

まとめ250Lのプロトタイプ検出器を用いて大型液体アルゴンTPC検出器の実現に向けた検出器理解とR&Dを行っている。
宇宙線データの取得を行い二次元アノード基板を用いた三次元飛跡再構成に成功。

純度~0.3ppbを達成→更なる改良により0.1ppb以下を目指す。
今後検出器の応答を詳細に理解し較正手法の確立を目指している。

MC、事象再構成ツールの開発をETHZと共に行っている。

高電圧発生装置について

岩手大学大学院 工学研究科
電気電子・情報システム工学専攻2年
成田研究室 渡邊孝太

Contents
TPC内で用いる高電圧発生装置(コッククロフト・ウォルトン(CW)回路)の開発を進めている• TPC内の電界生成とその評価について発表する• 10L液体Ar検出器のCW回路を製作した• ２つの方法で製作した装置の性能評価を行った①直接CW回路の出力を測定する方法(空気中)②10L液体Ar検出器の宇宙線試験を行い、それにより電界を評価する方法(液体Ar中)• 結論と今後の予定

Intro:直流高電圧発生装置
TPC内の高電圧を供給する方法
・断熱容器外部からフィードスルーを介してHV供給
・断熱容器内部(液体Ar中)でHV生成
ドリフト長5mの検出器に500V/cmの高電界を形成するには250kVの電圧を供給する必要がある→将来的なHV供給ではフィードスルーの耐圧限界のため断熱容器外部からの高電圧供給は困難となる
液体Ar中(-186℃）で安定動作する直流高電圧発生装置が必要
その装置としてコッククロフト・ウォルトン(CW)回路が考えられる

Cockcroft-Walton Circuit
原理• 低電圧の交流電圧を高電圧の直流電圧へと変える整流回路• キャパシタとダイオードをはしご状に組み合わせることで，入力電圧の段数倍の出力を得られる• 計算値=入力電圧×2√2×CWの段数

入力が正
入力が負5-stages CW Circuit•CW回路に用いる素子は低温試験を行い、 液体アルゴン環境で使用できるの素子を選定した•ダイオード13個 RGP02-20E

ACinput

DC input

820meg•コンデンサ14個 PHE450SB3(33nF)

GND DC input•5段CW回路の各段の出力をTPCの各シェーパーに接続する
TPC内の電界を500V/cmにするためにはCW回路に180Vac程度を入力すれば良い

AC input

DC output（シェーパーとカソードへ接続）

①直接CW回路の出力を測定(空気中)シェーパーリング4枚

空気中

AC電圧源

500Hz

5段
CW回路

Oscilloscope(1MΩ)

100MΩ
カソード

・電圧源によりCWを充電する（1分）
・充電を切り、シェーパーリングと放電棒を接触させる（右図）
・CW回路の出力電圧を分圧させてオシロスコープで出力波形の最大出力値を読み取る
・CW回路の出力電圧=オシロスコープの波形×198.71MΩ

5段CW回路の出力特性(空気中)• 計算値=入力×段数×2√2、ratio =測定値/計算値×100 [%]• 入力180Vacの時、最大で2.5kVの出力• 計算値と測定値は2%以内で理解できている(右図)
近似曲線

Vout  (503.9  2.2) N（CW回路への入力
180Vacのとき）

②宇宙線試験によりTPC内の電界を評価 (液体Ar中)•宇宙線を用いて10L液体Ar検出器の性能評価、形成電界の評価を行った•シェーパー間にはCW回路を用いて500V/cm(計算上の値)の電界を形成する
LAr•アノードには2次元読み出し基板を用いる
5段CW回路アノード
写真アノードグリッド
フィールド
シェイパー(4枚)

5.5cm

カソード
10cm

10L液体Ar検出器の宇宙線試験• 28250事象（9月に3日間テータ取得）• 2つのシンチレーション検出器による外部トリガーによりデータ取得• グリッド-アノード間:10mm ,グリッドに1000V印加• 想定電界: 500V/cm，CWにより2500V生成• X,Y面それぞれ16チャンネル• 最大ドリフト距離 : 5.5cm

ドリフト速度を評価
・電界強度を求めるためにドリフト速度を算出する

全イベント
Xch

・ドリフト時間分布の幅からTPC内のドリフト時間を求めた→36.8±0.4[us]（誤差はビン幅0.4[us]より）
・最大ドリフト長は55[mm]より
ドリフト速度1.49±0.016 [mm/us]

36.8 [us]LAr36.8 [us]

アノード
55mm

カソード

TPC内の電界評価• W式でICARUSのデータをFitし、パラメーターP1~P6を求めた(Back upに記載)• 液体アルゴンの温度は度で一定(To=87[K])• W式によりドリフト速度から電界強度を求めた

E＝482±10[V/cm]

1.49±0.016[us]●ICARUSの測定値－W式によるFit（W式）

想定電界と差が生じている原因
・低温中でCW回路の素子の特性の変化
・電界強度経時減少
・液体アルゴン温度の不定性 etc… (1)W. Walkowiak* “Drift velocity of free electronsin  liquid  argon” Institut fur Physik,→追実験で調査していく
Universitat Mainz, D-55099 Mainz, Germany 1999

Conclusion
Cockcroft-Walton 回路による高電圧発生装置の開発
CW回路を製作し出力特性を評価→  空気中で入力180Vacで最大2.5kVの高電圧を発生させた→①空気中の測定で、製作したCW回路の出力は2%以内で計算値と一致→②低温液中の測定では10％ほど理解できていないことがある
・宇宙線試験よりCW回路による電界の強度が482±10V/cmとなった②の方法で想定電界と差が生じた原因として・低温中でCW回路の素子の特性の変化 ・電界強度経時減少→追実験で調査していく
・液体アルゴン温度の不定性[今後の予定]・5段CW回路の液体Ar中での出力特性評価

・15段CW回路の空気と液体Ar中での出力特性評価など
液体ArTPC用に最適化したCW回路の開発を進めていく液体アルゴンTPCのための信号読み出し回路開発～極低温下での作動回路を目指して～@

2013.12.7・8 Neutrino Frontier Session

Developed by KEK e-sys group,
one of Open-it projects.

http://openit.kek.jp
Manobu Tanaka , Tomohisa Uchida
Masahiro Ikeno , Hiroshi Sendai

横浜国立大学
大学院工学府
修士2年
岩崎裕也

1

液体アルゴンTPCにおける読み出し回路への要求

Liquid-Argon-TPC
読み出し回路への要求
低ノイズ
高ゲイン

数fCの信号をSN比が10以上で読み出す

検出器容量はノイズに大きく関わってくる
信号をチェンバー外に出すためのCable capacitanceが問題となる

多チャンネル
大量のFeed through cableの使用による純度や極低温環境への影響

チェンバー内つまり極低温環境下(-186℃)で動作可能な読み出し回路を目指す2
読み出し回路の開発工程

Readout Electronics

プロトタイプ仕様

読み出し回路構成

ASIC + FADC + FPGA(ARTIX-7)
・32channelの2次元読み出しPAD(6.4cm × 6.4cm)
・入力信号をASICで増幅・成形しFADCでデジタル変換後、SiTCPでPCにデータ転送

10Lテストチェンバー* 入力電荷は4fC~70fC程度を想定* SN比が10以上* FADCは2.5MHz sampling, 12bit resolution* 外部トリガーでデータを収集(PMTからのNIM信号)* １イベントずつ読み出す
10L用2次元読み出しPAD

Readout Electronics
Process

Analog Board と Digital Boardをチェンバー外Analog Board のみチェンバー内に入れる
Analog Digital Boardをチェンバー内に入れる

それぞれシステムを確立し、SN比をクリアするのを第一目標とする
現在までにASICの常温試験、Analog Boardの製作、試験、Digital Board製作が終了

3
読み出し回路概要

ASIC 仕様
LTARS ASIC

~ Low Temperature Analog Readout ~低ノイズ高ゲインのAnalog ASIC
2.8mm×2.8mmのチップ中に8ch
Preamp&PZC
Input

ShaperCR

ABUF
CR

Output・検出器容量は100pFまでを想定、最小信号(4fC)に対して SN比が10以上のノイズレベル
・プリアンプゲイン 20mV/fC・電源電圧 ± 2.5V

読み出し回路設計の概要
Analog Board

NIM InLTARS ASIC

Voltage
Follower

Differential
BufferArtix-7 FPGA

FADC

Differential
ReceiverPC

Power
SupplyConfiguration
PROM

Ethernet
Interface

ANALOG

Signal In

・32chの信号を4つのASICを使用して増幅・整形処理、差動で出力する
・ASICの出力とVoltage Followerの入力をAC結合(ASICのoffset電圧をリセットする)・Voltage FollowerはBufferの負荷がASICの定格を超えていたため使用した

Analog Boardの製作

92mm

9月完成
現在試験中

110mm

Liq Ar TPC RO Analog Board ver1

読み出し回路設計の概要
Digital Board
Signal In

Voltage
Follower

Differential
BufferArtix-7 FPGA

FADC

Differential
ReceiverPC

Power
SupplyConfiguration
PROM

Ethernet
Interface

DIGITAL

NIM InLTARS ASIC

・Analog Boardからの差動出力を受けてADCに入力(4fC～70fCレンジを実現するためにGainを少々下げている)
・PMTからのNIM信号をFPGAに入力しFADCのトリガーとしている
・PCへのデータ転送はSiTCPを利用する

Digital Boardの製作
12月初旬完成
今後試験を行う
92mm

145mm

Liq Ar TPC RO Digital Board ver1

4Analog Board 評価

Analog Board 評価

評価項目

1. 直流試験
2. 動作確認3. ダイナミックレンジ特性
4. ノイズ
5. ゲインの検出器容量特性
Analog Board

テストパルスと出⼒力力信号

評価している様⼦子

ダイナミックレンジ特性
実験系
Power

Dynamic Range Ch1 Single
2500

Analog Board
Test pulse generator
50Ω terminate

Function Generator
Function Generator param
備考

2000
出⼒力力電圧 (mV)oscilloscope
1MΩ terminate

1500

1000

500

パルスの立ち下がりでトリガー
入力信号が -4fC～-100fC を想定
入力容量 1pF ( 検出器容量も1pF )y = 31.43x - 42.19500Frequency

Amplitude

Width

Edge time

1kHz+4mV〜～+100mV

500μs

5ns

Gain

2040|⼊入⼒力力電荷| (fC)6080

31.43 mv/fC

ノイズの検出器容量特性測定の様⼦子Noise Ch1コネクタに直接検出器容量用のコンデンサ(Cdet)を設置する。

Cdet

ASIC inヒストグラムからσを得る

⼊入⼒力力等価雑⾳音電⼦子数 (electron)

1000
900
800
700
600500400
300200y = 5.9475x + 354.04

1000010203040506070
検出器容量量 (pF)

8090

100

最小信号 4fC = 25000 electron の入力電荷を考慮すると、検出器容量が100pFにおいてSN比10以上を達成出来ているまとめと今後の予定
液体アルゴンTPC読み出し回路の開発-

試作機の設計・製作・評価
ダイナミックレンジ特性の結果から、ゲイン31.43mV/fCを得た
ノイズは現時点でSN比10以上という結果を得ている(Cdet=100pFの時)

以上からAnalog Boardは正常に動作していると判断

今後の予定- デジタルボードを含めた読み出し回路全体での評価- 試作した読み出し回路を使用して、10Lテストチェンバーにて宇宙線観測全体まとめ
大型LAr TPC検出器の実現に向けてR&Dを進めている- アルゴン純度向上
0.3ppb程度まで実現→今後更なる改良を加え0.1ppb以下を目指す。
- 高電圧電源開発
小型(5段, 15段)CW回路で詳しい特性の理解を進めている。
CW回路単体での出力測定やTPCに装着し、想定電界の形成に成功。
今後CW回路の特性解明に努め、将来の大型化へ向けたR＆Dを進めていく。
- 低ノイズ読み出しエレキ
10L用のプロトタイプを製作した。試験・評価を進めている。
今後、デジタルボードを含めた評価、また10Lchanberで宇宙線観測を行う。

250L、3Lの検出器を用いた検出器応答の確認、評価- 2D基板を用いた読み出しで宇宙線trackを観測。
- 検出器の較正手法の確立を目指す。
- 事象再構成ツールの開発をETHZと共同で行っている。