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MEG MEG 実実実実 実実実実実実実実実実実実実実実実実実実実実実 実実実実 実実実実実実実実実実実実実実実実実実実実実実 実実実実実実実実実実実実実実 実実実実実実実実実実実実実実 実実実実実実 , 実実実実実実 A , 実実実実 B , BINP-Novosibirsk C , INFN-Pisa D , PSI E 実実実実 , 実実実実 , 実実実 , 実実実実実 , 実実実実 B , 実実実 A , 実実実実実 A , 実実実 , 実実実 A , 実実実実 A , 実実実実 , 実実 西 , 実実実実 B , 実実実実 , 実実実実 B , 実実実 , 実実実 , 実実実実 A , 実実実, 実実実実 , A.A.Grebenuk C , D.Grigoriev C , Y.Yuri C , D.Nicolo D , S.Ritt E , G.Si gnorelli E 実実 実実 実実 実実 実実実実実実実 実実実実実 実実実実実 実実 実実 実 実 60 2005324 実実実実実実実 実実実実実 実実実実実 実実 実実 実 実 60 2005324

MEG 実験用液体キセノン検出器におけるデジタル波形処理を用いたガンマ線測定技術の開発研究

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日本物理学会第60回年次大会 @東京理科大 2005年3月24日. MEG 実験用液体キセノン検出器におけるデジタル波形処理を用いたガンマ線測定技術の開発研究. 東大素粒子セ , 早大理工総研 A , 高エネ研 B , BINP-Novosibirsk C , INFN-Pisa D , PSI E 岩本敏幸 , 内山雄祐 , 大谷航 , 小曽根健嗣 ,  笠見勝祐 B ,  菊池順 A , 古田島拓也 A , 澤田龍 , 鈴木聡 A , 寺沢和洋 A , 名取寛顕 , 西口創 , 春山富義 B , - PowerPoint PPT Presentation

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MEGMEG 実験用液体キセノン検出器における実験用液体キセノン検出器におけるデジタル波形処理を用いたガンマ線測定デジタル波形処理を用いたガンマ線測定

技術の開発研究技術の開発研究

東大素粒子セ , 早大理工総研 A, 高エネ研 B, BINP-NovosibirskC, INFN-PisaD, PSIE

岩本敏幸 ,  内山雄祐 , 大谷航 , 小曽根健嗣 ,  笠見勝祐 B,  菊池順 A, 古田島拓也 A, 澤田龍 , 鈴木聡 A, 寺沢和洋 A, 名取寛顕 , 西口創 , 春山富義 B,

久松康子 ,  真木晶弘 B, 三原智 , 森俊則 , 山口敦史 A ,  山下了 , 山田秀衛 , A.A.GrebenukC, D.GrigorievC, Y.YuriC, D.NicoloD, S.RittE, G.SignorelliE

内山 雄祐内山 雄祐

日本物理学会第60回年次大会 @東京理科大 2005年3月24日日本物理学会第60回年次大会 @東京理科大 2005年3月24日

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24/Mar/2005 日本物理学会第60回年次大会  @東京理科大学

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Contents • Why waveform ?

• Waveform digitizer : Domino Ring Sampler

• CEX Beam test data @PSI autumn’04– Templates and time resolution– Pulse Shape Discrimination– Pile-up rejection

• Summary

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In the MEG experiment every PMT will be read by a fast waveform digitizer for the best use of the scintillation image.

reject pile-up of -rays

timing and energy measurement without ADC and TDC

particle identification

Crucial for the MEG experiment and very difficult without

waveform imageMajor background

•Prompt background•Accidental background

Without waveform separate only

spatially if > 2 PMTs apart (15 cm)

pulse shape separation

e

e

e

e

?

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Requirements• TDC resolution 40ps 2.5GHz(400ps)• ADC resolution 12bits• 3000 channels

(Xe calorimeter, Timing counter, Drift chamber)

Cheap & fast waveform digitizer

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Domino Ring Sampler (DRSDRS)

Analog sampling chip, switching capacitor circuits• Max sampling speed 4.5GHz • Sampling cells 1024• 8 data ch, 2 calibration ch(voltage and time) / chip• Read out speed 40MHz, 12bits• Domino wave runs continuously, only stopped by

the trigger

• ~\10,000/chn

DominoCircuit

ReadoutShift

Register

10 channels    x 1024 bins

Shift Register

IN

Out

“Time stretcher” GHz MHz“Time stretcher” GHz MHz

Waveform stored

Inverter “Domino” chain0.2-1 ns

40MHz

Rotatingsignal

Developed by Stefan Ritt NIM A 518(2004) 470

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Two DRS chips installed and data taken in the beam test last autumn   for the first time

DRS1DRS0

Xe detector(Large Prototype)• 6×2 ch : Xe detector PMTs

center 12PMTs on Front Face

• 2×2 ch : LYSO anti-counter for timing reference

-source

p n

Anti-counterLYSO

• 2.5GHz sampling (400ps bin width)

Short decay time (48ns)TDC Time resolution ~64ps

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Xe

Waveform

spike noise related to the reference clock

Can be fixedRedesign mezzanine board

[mV]

LYSO

[mV]

[sec][sec]

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Averaged waveformAssuming constant pulse shape

Now, able to use this template for fitting, for testing algorithm

and for simulating pile-up

How to analyze these waveforms ?Fitting takes so much CPU-timeNeed some kind of devised way or different fast method

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Well fittedConstant Pulse shape

Fitting by the Template

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Time resolution

• LYSO time resolution is comparable to TDC analysis

• LYSO time resolution obtained by waveform fitting No time-walk correction is needed

TDC

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Pulse Shape Discrimination

Adopt Pulse Width method for PSD– simply measure time width at the half maximum

of the pulse height.

Pulse shape of alpha is much sharperDecay time 45ns Decay time 4.2ns, 22ns

Decay time of scintillation light depend on the incident particle because of the difference in interaction way

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Noise reducedTake sum over all Xe channels

Pulse Width

-run -run

Noise infection for small signal

Possible to use for Trigger(100MHz)

Pulse Width

Pulse Width :Pulse Height

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Pile-up rejection

• Fitting by superposition of two templates

• Able to separate two

Previous study by MC

2, >2.5MeV, >10nsec

Now, real data are available

[sec]

[mV]

T=33ns28%

For example ..

To what time difference and energy 2’s can be reconstructed ?

Studying by simulation using template and real baseline

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Summary• In the MEG experiment, all PMTs will be rea

d out by waveform digitizer

• Waveform data were successfully taken with DRS in beam test @ PSI autumn ’04

• Analyses have been made in several way– Make template– Comparable time resolution to TDC– Succeed in fast powerful PSD– Study for pile-up rejection now started

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END OF SLIDE

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Apply Pulse Width Method for Trigger

• Thinned data point 10ns apart (one point every 25points).

“Virtual” FADC Data (100MHz)

Look still separated enough.

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Xe time resolutionXe time resolution measured by waveform fittingNo cut and no correction

Comparable to TDC analysis

Waveform TDC

R1 420psec -

(L1+R1-L2-R2)/4 190psec 193psec

(L1+R2-L2-R1)/4 180psec 140psec

L1

R1

L2

R2

(L1+R2)/2-(L2+R1)/2

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Raw data

Xe LYSO

•Random start point • Non-flat response• Spike noise

Voltage referenceTime reference40MHz clock

Need Calibration

• Global calibration • Gain calibration on

each cell• Time calibration

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Simple fitting

• Fitting – Powerful and almighty

way

Simple double exponential function seem to good

)e(e)( )()( 00 decayrise ttttAtV

But fitting takes so much CPU-time !Need some kind of devised way or different fast method

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• Still noisy after calibrated.• We have to reduce noise by means of

some kind.

Moving Average

Each 50cells ( correspond to 20ns ) taken average

Noise Reduction

spike removal

x11sin