CALET-TASC に用いる PWO の発光特性に関する研究

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） CHD 入射粒子のエネルギー決定，電子/陽子識別を行う IMC‐FEC IMC • シンチレータ • PWO（20×19×326 mm3） • 16本×12層　（27 X0厚） 516.5mm • 光検出器 TASC TASC‐FEC • 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） 712mm 装置の温度変化により 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 • PWOは発光量変化 • APDはノイズ量変化

PWOシンチレータ CALETに要求される性能 • 広い視野角　（観測量の確保） • 　→放射長あたりの長さを短く！ 326mm • 検出器の軽量化 • 　　　→　放射長あたりの面積密度を小さく！ 20mm CALET-TASC用のシンチレータとしては PWOが最適 19mm 代表的な無機シンチレータの諸特性比較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

Effective ADC [ch] MIP数 TASCの信号読み出し • PMT （1層目）トリガー生成 APD（100mm2） S8664-1010 φ8mm • APD/PD • （2層目以降） 4系統のゲインの異なる信号処理回路 PD（5.8mm2） S1227-33Br ①APD ②APD ③PD ④PD ＋ Highgain Shaping Amp ＋ Lowgain Shaping Amp ＋ Highgain Shaping Amp ＋ Lowgain Shaping Amp PMT （R11822） APD/PD dual package （S10937-9351） • 　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 6桁以上のダイナミックレンジを実現

1MIPの温度依存性測定 宇宙線ミューオンを利用して1MIPを測定した APDの電圧（増幅率50倍） • 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 • 測定温度：20，25，30，35，40℃ 恒温槽検出器 PWO＋APD APD/PD PWO（＋反射材ESR）

測定システム Side view muon 恒温槽 Trigger Sci.(S1) PMT PreAmp（CALET用HICの試作品） PreAmp Shaping Amp PWO(W003) APD/PD PH-ADC Trigger Logic Divider QDC Trigger Sci.(S2) PMT ◆ PreAmp: CALET用HICの試作品 ◆ Shaping Amp: Bi-Polar, tshape=1.4 us ◆ PH-ADC : CLEAR-PULSE, 1112, 16 bit ◆ Trigger Sci. : ELJEN, EJ-204 （20×10×320 mm3） ◆ PMT : HAMAMATSU, H10721-210, @-850 V ◆ QDC : CAEN, V965A, 12 bit

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 • 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 • 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 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） 1MIP 20℃ • 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 2.4 [fC] 20℃での1MIP決定例 • 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 25℃ 30℃ 35℃ 温度係数：　-1.3%/℃ （@25℃） 40℃

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ノイズを測定した恒温槽 Bias True RMS Meter PreAmp APD Shaping Amp True RMS Meter （NF Co. , M2170）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 ② APD容量由来のノイズ 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である温度係数：　+2.3%/℃ （@25℃）

信号対雑音比（S/N） 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 CALETに用いるPWOの発光量は 9 p.e./MeV以上（平均 11.3 p.e./MeV） Number of PWO Logs 発光量が最低値と平均値の場合のS/Nを見積もった →　各温度でのS/Nを直線でfitting Light Yield [p.e./MeV] ミューオンのエネルギー損失：約22MeV　（2cm厚のPWO中）実測見積もり PWO発光量：12 p.e./MeV PWO発光量：11.3p.e./MeV （平均値） PWO発光量：9p.e./MeV 温度係数： -2.8 %/℃ （@25℃）（最低値）

ISS軌道上におけるTASCの熱解析 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の温度を予測した解析条件 • ISS軌道姿勢　　　　： YPR＝0, 0, 0 [deg] • β角　　　　　　　　　　： -75～+75 [deg] • ATCS温度（高温側）： 21 [℃] ※ +80 解析結果 β角[deg] 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） -80 0 360 経過日数 [day] ※　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

まとめ • 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

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