高時間分解能飛行時間測定器
Multi-gap Resistive Plate Chamber(多段型MRPC)」の開発；PSI-DRS4を用いたデータ収集システムの構築と宇宙線による性能評価
筑波大学大学院数理物質科学研究科物理学専攻
高エネルギー原子核実験グループ
野中俊宏, 三明康郎, 江角晋一, 中條達也, 稲葉基, 益井宙

2015/3/21

日本物理学会 第70回年次大会

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目次
• 導入
ü Multi-gap Resistive Plate Chamberü 研究目的• データ収集システム
ü DRS4 Evaluation Boardü 時間分解能ü 解析手法• 性能評価ü インピーダンスマッチングü 利得の最適化• まとめと今後の課題

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Multi-gap Resistive Plate Chamber(MRPC)Ø 高エネルギー重イオン衝突実験において生成されるハドロンを高い運動量領域まで識別Ø 生成粒子の「通過時間」を精度良く測定(飛行時間測定器)
Ø 非常に安価、容易に大方位角を覆うことができる
１段型MRPC : PHENIX, STAR
ギャップ数：６
ギャップ幅：〜250um
時間分解能：~80ps

４段型MRPC
ギャップ数：6ギャップ
ギャップ幅：160um
時間分解能：20ps

4段＝24

２段型MRPC : ALICE
ギャップ数：5 x 2 =10
ギャップ幅：250um
時間分解能：~50ps

S.	  An	  et	  al.	  /	  Nuclear	  Instruments	  and	  Methods	  in	  Physics	  Research	  A	  594	  (2008)	  39–43

段数を重ねることで時間分解能が向上
Nuclear	  Instruments	  and	  Methods	  in	  Physics	  Research	  A	  533	  (2004)	  74-­‐78

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3J-PARCsPHENIX

現在、J-PARCで重イオン衝突実験を行おうと活発な議論が行われている。

RHIC-PHENIX実験のアップグレード計画

MRPCでミューオンを識別

衝突点から約50cm

衝突点から約5m, p<0.8GeV/c でμ/π
時間分解能：30ps

p<2.5GeV/c でπ/K
時間分解能：10ps

Towards	  the	  heavy-­‐ion	  program	  at	  J-­‐PARC	  2015/3/21

sPHENIX:	  An	  Upgrade	  Concept	  from	  the	  PHENIX	  CollaboraUon

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研究動機
MRPC開発の最終ゴール：10psの時間分解能を達成する。

良い時間分解能を得るには..
Ø ガスギャップを薄くするØ 段数(ギャップ数)を増やす
Ø 前段増幅器(利得)の最適化が重要
20psの４段型MRPCが報告されたが、３段型や６段型等の報告は無い。

本研究の目的１〜４段型のMRPCについて、前段増幅器の最適化を行いながら、段数を増やすことによるメリット・デメリットを、波形解析を通して定量的に理解する。

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5データ収集システム•••

１〜４段型のMRPCで、性質を比較したい。→出力波形細かい波形情報を取得できて、かつ時間分解能を解析できるようなデータ収集システムが必要。
DRS4 Evaluation Board•••

PSI社の開発しているDRS4チップを搭載した評価ボード
5GSPSでA/D変換約200psの間隔でサンプリングされた、時間 t と 電圧 mV の情報が得られる。

Ø ROOTを用いてGUIコントローラーを作製
４つの入力チャンネル(SMA)
PCとUSB接続

外部トリガー(LEMO)
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6時間分解能•••DRS4(T1)
Clockある検出器の時間分解能を測定したとき、その値は測定機器の時間分解能を含んだものである。
測定機器自身の時間性能が非常に重要。
右図の回路にて、２チャンネル間の時間分解能を測定
同一ボード上の２チャンネル

DRS4(T2)
NIM-TTL
NIM-TTL

Ext.Trig

異なるボード間の２チャンネル異なるボードは、異なるクロックで動作しているそれぞれのボードのch2を使ってTを補正。
••

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異なるボード上の２チャンネル間の時間分解能は9.8ps。
本研究では、DRS4を４枚使用する。それぞれのボードの各1chにトリガー信号を入力し、これらをreference clockとして補正を施してから、解析を行った。

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7解析手法f (t) = A +

90%

10%

σ time =2015/3/21

σndVdttrise

B" −(t − t0 ) %1+ exp $'# C &立ち上がり部分にフィットを施し、
Ø 時間情報 : t0
Ø 波高 : BØ 立ち上がり時間 : triseを得る。
またストリーマイベントをカットするため、データを積分して電荷量[pC]を得る。
22
σ MRPC = σ TOF− σ STARTσ TOF : TMRPC − TSTART 分布の幅
σ START : スタートカウンターの時間分解能

検出器内での物理過程における揺らぎ、ノイズ「立ち上がり時間」：波高が10%から90%に達するまでの時間。
：検出器レベルでは、電子雪崩が発生してからアノード側に到達するまでの時間を表すと考えられる。
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セットアップ
１〜４段型のMRPCを製作
ØØ
Ø

１段型

２段型

３段型

４段型

ギャップ幅：165um
ギャップ数：6/stack
感度領域：24x50mm/pad

感度領域

Gas
OUT

Ø 上下にトリガー兼スタートカウンター用のシンチレーションカウンターØ スタートカウンターの時間分解能は約70ps
Ø ４つのPMTのコインシデンスをトリガーとする。
Ø MRPCにヒットがあったイベントのみ解析。
Ø ガス：フロン91%, イソブタン9%(大気圧)GasIN

signalHV, LVDRS4 Board

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4PC

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9前段増幅器• MRPCの信号は高々数mV程度しかない。
• ただちにプリアンプにて増幅。
• MRPCの立ち上がりの早い信号(~1ns)を、波高を損なうこと無く引き出すには、p インピーダンスマッチングp 利得の最適化が不可欠。

差動型増幅器2015/3/21

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10インピーダンスマッチングØ 波形の違い••Ø 立ち上がり時間50ohm以外は、どれもピーク部に反射成分が見られる。
１〜４段型について同様の結果。

2015/3/21••

立ち上がり時間の一次元ヒストグラム。
入力インピーダンスを上げるほど、立ち上がり時間が遅くなっている。

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利得の最適化

••
•
•

段数

利得

時間分解能[ps]1231

96.5 3.6

25557.9 3.833739.5 6.042734.6 5.8利得を下げると、信号の立ち上がりが早くなり、時間分解能が向上する。
段数を増やすと、立ち上がりは遅くなる(寄生容量)。
段数を増やすと、利得を下げる必要がある。
最適な利得が決定された。
帯域の限界？
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まとめと今後の課題Ø MRPCの信号波形を解析するために、DRS4 Evaluation Boardを使ってデータ収集システムを構築した。
Ø 複数枚の使用において、10ps程度の時間分解能Ø １〜４段型のMRPCについて、前段増幅器の最適化を行った。
Ø その過程において、４段型MRPCで時間分解能 34.6 5.8ps を達成した。
Ø 段数を増やすことによるメリットØ ４段までは、明らかに時間分解能が向上した。
Ø 段数を増やすことによるデメリット
Ø 寄生容量により、立ち上がりが遅くなる。
Ø プリアンプの利得を下げて、帯域を広げる必要がある。
Ø スタートカウンターの改善。
Ø 今後、さらに帯域の広いプリアンプを開発する必要がある。
Ø 立ち上がりが早くなるほどDRS4のサンプリング数は減るため、最適化が必要。
Ø シミュレーションによるギャップ幅の最適化。
Ø テストビーム実験の実施。

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BACK UP

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飛行時間測定器(Time Of Flight : TOF)
高エネルギー重イオン衝突実験で生成されるハドロンを高い横運動量領域まで識別
生成粒子の「通過時間」を精度よく測定して、粒子種を識別! ! t $2 $m 2 = p 2 ### & −1&&"" L %%
π/K : 0.5~2.5GeV/c
K/p : ~4.0GeV/c

σ〜50ps

22!
$!
$dm
dp
dt dL
= # & +γ 4 # + &"tmL%" p%

運動量 p は他の検出器から得られる。
速度 v を求めるには時間 t を精度よく決める必要がある。

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Multi-gap Resistive Plate Chamber••••

とても薄いガスギャップ(250um)をいくつか形成。一様な高電場を発生させる(~100kV/cm)
各ガスギャップで、電子雪崩がほぼ同時に起こる。（中心極限定理）
段数を重ねることで、電圧を上げること無くギャップ数を稼ぐことができる。
現在実用化されているもので最も時間分解能が良いのは、ALICE実験の２段型MRPC(50ps)

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前段増幅器• MRPCの信号は高々数mV程度しかない。
• ただちにプリアンプにて増幅。
• MRPCの立ち上がりの早い信号(~1ns)を、波高を損なうこと無く引き出すには、p インピーダンスマッチングp 利得の最適化が不可欠。
４段型MRPC
差動型増幅器

anode
cathodeanode
cathodeanode

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17電圧依存性 : 段数による比較••••

Ø スタートカウンターを改善し、より正確な測定を行った。

スタートカウンターを改善し(40ps)、より正確な測定を行えなった。
Finger counterにヒットがあり、かつシンチによる位置のカットから、ほぼ100%MRPCに入射しているだろうと思われるイベント。(~70event)
11kV~12kVではほぼ100%。
もう少し高い電圧まで、統計をためて測定する必要がある。

••

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eﬃciency plateu の領域ではほぼ一定。
段数が増えるほど時間分解能は良い。

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入射位置による補正••

パッド両端の時間差(宇宙線の入射位置)
入射位置が中央からずれるほどスタート時間が遅くなり、TOFが小さくなる。

補正前

•
•

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TL

補正後

MRPC	  eﬀecUve

TR

y軸方向へ射影

補正によってTOFの幅が5.2ps改善
さらに入射角度、立ち上がり時間による補正を行った結果、TOFの幅は61.0psにまで改善され、MRPCの時間分解能は47.5 3.4psとなった。
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19空間電荷効果
Total charge : ガスギャップ内で生じる全電荷。
Total induced charge : 実際に読み出しパッドに誘起される全電荷。
Fast charge : 電子によって誘起される電荷。

Eur	  Phys	  J	  C	  34,	  s01,	  s325–s331	  (2004)	  Digital	  Object	  IdenUﬁer	  (DOI)	  10.1140/epjcd/s2004-­‐04-­‐031-­‐92015/3/21

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再結合
Total charge : ガスギャップ内で生じる全電荷。
Total induced charge : 実際に読み出しパッドに誘起される全電荷。
Fast charge : 電子によって誘起される電荷。

Nuclear	  Instruments	  and	  Methods	  in	  Physics	  Research	  A	  610	  (2009)	  649–653	  2015/3/21

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立ち上がり時間について：ドリフト速度•MAGBOLTZによるシミュレーションの結果、100[kV/cm]での電子のドリフト速度は約200[μm/ns]

Trisetime = Lgap ÷ vdrift=~ 165[µ m]÷ 200[µ m / ns]≈ 820[ ps]•

実際には、ガスギャップの真ん中ほどで電子雪崩がスタートするので、もう少し早い。

anodee-­‐xxx

E"Detector	  Physics	  of	  ResisUve	  Plate	  Chambers",	  ChrisUan	  Lippmann

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22フィット方法の変更

ch1

Clock

ch2

DRS4

NIM-TTLf (t) = A +Ext.Trig

B+ D(t − t0 ) + E(t − t0 )2" −(t − t0 ) %1+ exp $'# C &+F(t − t0 )3 + G(t − t0 )4 + H (t − t0 )5
wood-saxon + 5th order polynomial

4.6ps

2015/3/21• wood-saxon のみでのフィットでは、２チャンネル間の時間分解能は約4.4psであった。
• ほぼ変化なし。
• wood-saxonでOK。

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23フィット方法の変更

DRS4
Clock
DRS4
NIM-TTL
NIM-TTLf (t) = A +0.03ps

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Ext.TrigB" −(t − t0 ) %1+ exp $'# C &• t0以外のパラメータは全て固定する。
• 異なるボード間の時間分解能は0.03ps• 複数枚使うことによる影響はほとんど無いと言って良いだろう。
• A,B,Cのどれかが t0 の情報を吸収してしまっている？

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DRS Controller
①②
④
③

1.
2.
3.
4.

DRS4 Boardの認識、初期化“Voltage Calibration”, “Timing Calibration”
イベント数、出力ファイル名の決定。
データ取得開始、DAQの終了。

2015/3/21

日本物理学会 第70回年次大会25

インピーダンスマッチング• MRPC-プリアンプ間で反射が起きないように、プリアンプの入力抵抗値を最適化してやる必要がある。
• 入力抵抗を変えて、波形の変化を観測する。

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利得の最適化• 利得を下げると、周波数帯域が広がり、より立ち上がりの早い信号を捉えることができるだろう。
• しかし利得を下げすぎると、S/Nが悪くなり、時間分解能は悪くなるだろう。

利得を変えながら時間分解能を評価し、最適な利得を探す。
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問題点・セットアップの変更••••測定できるのは、MRPCとスタートカウンター両方の時間分解能を含んだ量。
スタートカウンターの時間分解能(~70ps)がMRPC(~40ps)に比べて悪い。
得られたMRPCの時間分解能は、測定誤差の非常に大きいものである。
MRPCと同等かそれ以上の時間分解能を持つスタートカウンターを構成する必要がある。
eﬃciencyを見積もるため•••短いシンチレーションカウンターを新たに製作
時間分解能100ps→60ps
３本の時間平均をとることにより、スタートカウンターの時間分解能は約40ps

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立ち上がり時間による補正
波高によらず波形が一定な場合

Ø MRPCの信号の立ち上がりは波高依存性を持つ。
Ø 本研究で定義してt0は、立ち上がり時間依存性を持つはず。

波高が高くなるほど立ち上がりが遅くなる場合

4.4ps改善補正前2015/3/21

補正後

y軸方向へ
射影

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5cm

入射角度による補正
シンチレーションカウンター両端の時間差から計算される宇宙線のヒット位置から、MRPCへの入射角を計算。

③MRPC	  eﬀecUve②3cm

σ MRPC = 47.5 ± 3.4 ps
補正前

補正後

y軸方向へ
射影

• ４段型MRPCの時間分解能は47.5 3.4ps• 補正によって約20psほど改善された。
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本研究で用いたMRPC
感度領域：24 x 50mm１〜３段型も同様に製作

パッドの両端から読み出し

anodecathodeanode

ギャップ幅：165μm
ギャップ数：６ギャップ x N段
外側ガラス厚み：550μm
内側ガラス厚み：400μm
基板厚み：1.6mm

cathodeanode

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セットアップの変更②•••４段型MRPC ２４チャンネルのANDをトリガーとする。
先行研究ではこのようなセットアップが多い。

TTOF = TMRPC1 − TMRPC 2

σ MRPC =σ TOF= 63.0 ± 2.6 ps
2

σ=89.2ps

さきほどの結果(65ps)と一致

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前段増幅器の最適化：測定回路
Discriminator
A=enuator
PMT1

#2169
NIM-­‐TTLAND

PMT27dB

PMT37dB

PMT47dB

PMT57dB

PMT67dB#2170

GATE	  GENERATOR#2171

ORPAD1
PMT77dB

PMT87dB

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Ext.Trig

Clock#2172

PAD2
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前段増幅器の最適化：セットアップ•••

MRPCは動作が安定するのに時間がかかる(~１２時間)
抵抗等の付け替えを簡単にするために、ガスボックスのレモコネクタを外し、そこからケーブルを引き出し、プリアンプを外に置いている。
ガスはだだ漏れ。イソブタンが足りない？(5ml/m)

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Read	  out

Readout	  pad	  is	  asymmetric	  shape,	  so	  if	  I	  put	  the	  pad	  lec	  and	  right	  reversely	  I	  can	  connect	  between	  pads	  straight	  directly	  by	  cupper	  wire	  2015/3/21

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ストリーマー• ４段型では、全体の約５０％がストリーマー。
• 電子雪崩による信号部分にのみフィットを行う。

時間分解能には影響が無い

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EventsTOF	  σ[ps]

ALL

1580

84.3	  ±	  1.7Avalanche

774

86.6	  ±	  2.51.17

Streamer

80285.1	  ±	  2.61.36

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Rise	  Ome[ns]36電圧依存性：時間分解能•••

11kV~12kVでは、時間分解能はほぼ一定(60ps~)。
イベントカットによって値は変わる。
セットアップの問題。

最低限のカット：ペデスタル ~0.1pC：トリガーカウンターの「かすり」イベントスタートカウンターの時間分解能

トリガーカウンターによる位置のカット
隣のパッドが大きな信号を出力したイベント(クロストーク)をカット

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