CALET-TASC に用いる PWO の発光特性に関する研究

早大理工研，横国大工 A ， JAXA/SEUCB

二宮翔太，鳥居祥二，村上浩之，小澤俊介，小谷太郎，伊藤大二郎，舟橋良輔，小甲弘亮，北條裕之，

片寄祐作 A ，清水雄輝 B

研究目的全吸収型カロリメータ （ TASC ）

シンチレータ

光検出器

712mm

CHD

TASC

TASC‐FEC

IMC‐FEC

IMC

516.

5mm

• PWO 　（ 20×19×326 mm3 ）• 16 本 ×12 層　（ 27 X0 厚）

• 1 層目のみ：　 PMT 　（トリガー用）• 2 層目以降：　 APD/PD 温度環境• CALET 全体は MLI で覆い，断熱• 発熱部は流体による熱制御 （ ATCS ）

ISS 軌道上で予測される温度下においてPWO ＋ APD を用いて 1MIP ，回路ノイズを測定し， S/N の温度依存性を求めた

入射粒子のエネルギー決定，電子 / 陽子識別を行う

装置の温度変化により PWO は発光量変化 APD はノイズ量変化

PWO シンチレータ

　広い視野角　（観測量の確保）　　　→　放射長あたりの長さを短く！

密度[g/cm3]

放射長当りの長さ [cm/r.l.]

放射長当りの面積密度 [g/cm2]

NaI 3.67 2.59 9.54

BGO 7.13 1.12 8.09

PWO 8.28 0.89 7.37

代表的な無機シンチレータの諸特性比較

CALET に要求される性能

　検出器の軽量化　　　→　放射長あたりの面積密度を小さく！

CALET-TASC 用のシンチレータとしてはPWO が最適

326mm

19mm

20m

m温度依存性

エネルギー決定精度向上のために，詳細な測定が必要

TASC の信号読み出し

6 桁以上のダイナミックレンジを実現

APD/PD gain

APD/PD面積比

ShapingAmp gain 比

Totalgain 比

① 50 18 30 2.7×104

② 50 18 1 9×102

③ 1 1 30 30④ 1 1 1 1

　 PMT （ 1 層目） トリガー生成

APD/PD dual package　　（ S10937-9351 ）

　 PMT（ R11822 ）

APD （ 100mm2 ）S8664-1010

PD （ 5.8mm2 ）S1227-33Br

φ8mm

　Eff

ectiv

e AD

C [c

h]　

MIP 数

　 APD/PD　　（ 2 層目以降）

4 系統のゲインの異なる信号処理回路

　各系統のレンジは約 3 桁　 1 桁以上重ねて接続し，　　①の 1MIP 測定により較正

① APD ② APD③ PD④ PD

＋ High gain Shaping Amp＋ Low gain Shaping Amp＋ High gain Shaping Amp＋ Low gain Shaping Amp

1MIP の温度依存性測定

測定項目 ： PWO ＋ APD　　　－　 PWO : CALET 試作品 （ 20×20×320 mm3 ）

　　　　 12 p.e./MeV （ @20℃ ）　　　－　 APD : 増幅率 50 倍となる電圧を印加

宇宙線ミューオンを利用して 1MIP を測定した　温度

[ ]℃電圧 [V]

20 401

25 405

30 409

35 413

40 417

APD の電圧（増幅率 50 倍）

恒温槽

APD/PD

PWO （＋反射材 ESR ）

測定温度 ： 20 ， 25 ， 30 ， 35 ， 40℃

PWO ＋ APD

検出器

測定システム

PWO(W003)

Trigger Sci.(S1)

Trigger Sci.(S2)

PMT

PMT

PreAmpAPD/PD

恒温槽

QDC

PH-ADCShaping AmpTrigger Logic

muon

Divider

◆ Trigger Sci. : ELJEN, EJ-204 （ 20×10×320 mm3 ） ◆ PMT 　　　　 : HAMAMATSU, H10721-210, @-850 V ◆ QDC 　　　　 : CAEN, V965A, 12 bit

◆ PreAmp 　　 : CALET 用 HIC の試作品 ◆ Shaping Amp : Bi-Polar, tshape=1.4 us ◆ PH-ADC 　　 : CLEAR-PULSE, 1112, 16 bit

PreAmp （ CALET 用 HIC の試作品）

Side view

入力電荷に対する出力 ADC 値の較正PreAmp にテストパルスを入力し， PH-ADC を較正した

入力するテストパルスを等差的に小さくしていき，　　入力電荷と出力 ADC 値の相関をとった

テストパルスによる ADC 値分布を Gauss 分布で　　 fitting し，ピーク値を算出

テストパルスによる ADC 値分布と fitting 例 （入力電荷： 70 [fC] ）

相関係数 ： 390±0.16 [ch/fC]

ペデスタル ： 67±6.9 [ch]— 入力電荷が 0 [fC] のときの　　 ADC 値 （ fitting 直線を外挿）

PWO 発光量の温度依存性1MIP

宇宙線ミューオンによる波高分布を　　「 Landau 分布に Gauss 分布を畳み込んだ　　関数」により fitting

Landau 成分のピーク値（ MPV ）を 1MIP とした 各温度での 1MIP を求め，直線で fitting

20℃ での 1MIP 決定例

温度係数：　 -1.3%/ ℃ （ @25℃ ）

各温度での 1MIP 測定結果から， PWO 発光量の温度依存性を求めた （ APD ゲインは 50 倍で固定）

20℃

25℃

30℃

35℃

40℃

2.4 [fC]

回路ノイズの温度依存性各温度での 1MIP 測定直後に， APD に電圧を印加した状態で回路の RMS ノイズを測定した

True RMSMeterShaping Amp

Bias

PreAmpAPD

温度係数：　 +2.3%/℃　　　　　　　（ @25℃ ）

恒温槽

True RMS Meter（ NF Co. , M2170 ）

② APD 容量由来のノイズ

ノイズの主成分① Shaping Amp 出力付近で　　発生する高周波ノイズ

③ APD 暗電流由来のノイズ

温度上昇によって顕著に増加するのは暗電流であるため，温度依存性に寄与するのは主に③である

信号対雑音比 （ S/N ）

S /N=ミューオン1MIP [ fC ]

回路のRMSノイズ [ fC ]

ミューオン測定による 1MIP と回路ノイズから， S/N を算出した

→ 　各温度での S/N を直線で fitting

PWO 発光量： 12 p.e./MeV

CALET に用いる PWO の発光量は9 p.e./MeV 以上

温度係数： -2.8 %/ ℃ （ @25℃ ）

PWO 発光量： 11.3 p.e./MeV

発光量が最低値と平均値の場合の S/N を見積もった

Light Yield [p.e./MeV] 　　　

Num

ber o

f PW

O L

ogs

実測 見積もり

（平均 11.3 p.e./MeV ）

PWO 発光量： 9 p.e./MeV

ミューオンのエネルギー損失：約 22MeV 　（ 2cm 厚の PWO 中）

（平均値）

（最低値）

ISS 軌道上における TASC の熱解析

解析条件

① PWO のノミナル温度　　　　： 29 ～ 31 [ ]℃② PWO の最高温度　　　　　　： 32 [ ]℃③ 軌道 1 周回での温度変動 ： 0.2 [ ]℃ 以下④ β 角による温度依存性　　 ： 0.9 [ ]℃ 　（ β ＝ +20 [deg] で最も高温）

解析結果

ISS 軌道姿勢　　　　 ： YPR ＝ 0, 0, 0 [deg] β 角　　　　　　　　　　 ： -75 ～ +75 [deg] ATCS 温度（高温側） ： 21 [ ] ℃ ※

TASC のノミナル運用時（高温側）の熱解析により，ISS 軌道上での PWO の温度を予測した

※ 　ただし， ATCS のノミナル温度は 20 [ ]℃ なので， 　　解析結果①，②は平均的に数℃下がる

経過日数 [day] 360

β角

[de

g]

0

+80

-80

• ISS 軌道上で予測される範囲の温度環境下において，宇宙線ミューオンによる PWO の発光量と回路の RMS ノイズの温度依存性を測定し， S/N を算出した– PWO 発光量　　　　 ：　 -1.3 %/℃– 回路の RMS ノイズ 　：　 +2.3 %/℃– S/N 　　　　　　　　　 ：　 -2.8 %/℃

• CALET 実機で用いる PWO の発光量の平均値は 11.3 p.e./MeV ， 最低値は 9 p.e./MeV であるため，それぞれの場合について S/N を見積もった

　　　⇒　実機での PWO のノミナル温度（ 30℃ ）においても　　　　　 3σ 以上の S/N が確保されていることが確認された

まとめ

END