Transcript PD，APDを用いたPWO によるシャワー検出性能のビーム実験

PD，APDを用いたPWO
によるシャワー検出性能の
ビーム実験
早大理工研,神奈川大工A,横国大工B,芝浦工大C
相場俊英，鳥居祥二，笠原克昌，鈴木拓也，中井幹夫，
田村忠久A，奥野祥二A，片寄祐作B，郷昌樹B，吉田健二C
目次
実験概要
全吸収型カロリメータ（TASC）について
CERN-SPSビームテスト概要
実験結果
考察
まとめと今後の展望
2010/3/22
日本物理学会第65年次大会＠岡山大学
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実験目的・概要
CALETにおけるTASCの実験的検証
CALETではPWOと光センサー（PD、APD）で構成させる
全吸収型カロリメータを搭載する。
CALETでは高エネルギー領域（電子・ガンマ線10TeV、陽子・
原子核1000TeV）までの観測を予定しており、非常に厚い
吸収層（～27X0）のカロリメータを用いる。
ダイナミックレンジの実験的検証
シャワー粒子の光センサーに対する直接的影響の定量的評価
電子100GeVが
垂直入射した場合
PWO
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PD、APD
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全吸収型カロリメータ（TASC）について
TASC
全エネルギー測定
PWOシンチレータ：
20mm×20mm×320mm（1本）
ホドスコープ型 16本アレイ12層
⇒全192本、PD・APDで読み出し
Output signal
二種類の光センサーを用いる
低エネルギー領域： APD
高エネルギー領域： PD
106の広いダイナミックレンジを実現
APD
PD
Energy
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CALETの概念図
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PWOの特性
各無機シンチレータの特性
発光量
[光子数/MeV]
減衰時間
[ns]
放射長
[cm]
放射長あたりの密度
[g/cm2]
NaI(Tl)
38000
230
2.59
9.54
BGO
3200
300
1.12
8.09
PWO
（改良型）
~300
<30
0.89
7.37
CALETの要求： 大きな幾何学的因子
装置の軽量化
放射長が短い
放射長あたりの密度が小さい
PWOがCALET計画に用いるシンチレータとして最適
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CERN-SPSビームテスト概要
実施期間
①2009/8/22～25, 27
②2009/11/16～21
ビームライン
T2-H4
照射したビーム
①
陽電子
－100GeV
ミューオン
－150GeV
パイオン
－350GeV
North area
SPS
②
電子
－100GeV
－50GeV
陽子
－350GeV
detector
測定項目
－PWO ＋ PD
－PWO ＋ APD
－PWO ＋ PIN-PD
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beam
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装置セットアップ
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実験方法
Preamp
21cm
16cm
ビーム到来方向
beam
beam
L
L
24cm (17.8r.l)
Preamp
Trigger scintilator
10mm×10mm×2mm,
30mm×30mm×10mm,
60mm×60mm×5mm
Lead 0.89r.l (5mm)×10 (or ×20)
Acrylic spacer 7mm×9 (or ×19)
PWO 2.24r.l (20mm×20mm×160mm)
光センサー （PD,APD)
PN-PD : S1227-33BR APD : S8664-1010
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R
R
鉛プレート数
－10枚(8.9 r.l)
－20枚（17.8 r.l）
ビーム入射角度
－0度
－30度
ビーム入射位置
－（0度） 2cm間隔
－（30度） 1.2cm間隔
サイズ
PN-PD: 2.4mm×2.4mm (5.76mm2)
APD : 10mm×10mm (100mm2)
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beam
実験結果１ （APDの場合）
陽電子ビーム ビーム入射角度 30度
100GeV
ビーム入射位置 Rから2cm、3.2cm、4.4cm
Pb 10枚
L
R
出力電荷量（ゲイン未補正）
（括弧内は4.4cmを基準とした電荷量のずれ）
APD gain： ~100倍
Amp gain： 1倍
APD size: 10×10 mm2
位置
R側出力[fC]
2cm
3835 (+2.5%)
3.2cm
3724 (-0.51%)
4.4cm
3743
R側につけたAPDの出力電荷量
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beam
実験結果２ （PN-PDの場合）
陽電子ビーム ビーム入射角度 30度
100GeV
ビーム入射位置 Rから2cm、3.2cm、4.4cm
Pb 10枚
出力電荷量
L
R
（括弧内は4.4cmを基準とした電荷量のずれ）
Amp gain： 16倍
PD size: 2.4×2.4 mm2
位置
R側出力[fC]
2cm
1.61 (+29.2%)
3.2cm
1.33 (+6.3%)
4.4cm
1.25
R側につけたPN-PDの出力電荷量
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実験結果３ （PIN-PDの場合）
beam
陽電子ビーム ビーム入射角度 30度
100GeV
ビーム入射位置 Rから2cm、3.2cm、4.4cm
Pb 10枚
L
Amp gain： 16倍
PD size: 10×10 mm2
L側につけたPIN-PDの出力電荷量
R
Amp gain： 16倍
PD size: 10×10 mm2
R側につけたPIN-PDの出力電荷量
出力電荷量 （括弧内は4.4cmを基準とした電荷量のずれ）
L側
2010/3/22R側
2cm [fC]
3.2cm [fC] 4.4cm [fC]
70.0 (-11.8%) 77.0 (-1.8%)
78.4
116 (+37.2%)
91.8 (+8.6%)
84.5
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APDの出力電荷量概算
電子100GeVが入射した場合
2cmのPWOを仮定。
1MIPでのエネルギー損失： 20.4MeV
シミュレーションによる
TASC 5層目でのエネルギー損失： ~7GeV
⇒5層目で、およそ343MIPのエネルギー損失
APDの増幅率50倍を仮定。
APDの出力： 1.99 [pC] と推定される。
よって1MIP ~ 1000MIPで期待されるAPDの
出力電荷量は、
PWOの特性
密度
8.28 [g/cm3]
放射長
0.89 [cm]
光量
~300 [ph/MeV]
モリエール半径
2.19 [cm]
屈折率
2.16
エネルギー損失
10.2 [MeV/cm]
最大発光波長
530 [nm]
1MIP ~ 1000MIP ⇒ 5.8 [fC] ~ 5.8 [pC]
APDは未ゲインキャリブレーション ⇒ ファクター２程度のずれ
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まとめと今後の展望
2009/08、2009/11にCERN-SPS加速器を用いてCALETのTASC構造を模擬した
カロリメータのビームテストを行った。
APDではシャワー粒子の直接的影響は2cm以上では、ほとんどないことが
わかった。
APDの出力電荷量は1MIP~1000MIPに対しておよそ3.1[fC]~3.1[pC]と
見積もられる。
PN-PDでは2cm以上ではシャワー粒子の影響は見られないが、2cm未満の位置
で29%程度のシャワー粒子の影響が生じる。
PIN-PDでは2cm以上ではシャワー粒子の影響は見られないが2cm未満では
37%程度のシャワー粒子の影響が生じる。
シミュレーションで実験結果が再現可能かどうかの確認を行う。
今年9月にCERNにおいて、よりCALETの構造を再現したビームテストを行う。
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fin
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各光半導体素子のエネルギー分解能
APDおよびPDのL側、R側のエネルギー分解能に注目
PWO内での減衰ではなく、アンプの倍率設定に不備があった可能性あり
各光半導体素子のエネルギー分解能（σ/E）
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L側
R側
APD
0.173
0.168
PN-PD
0.506
0.416
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beam
実験結果１ （APDの場合）
陽電子ビーム ビーム入射角度 30度
100GeV
ビーム入射位置 Rから2cm、3.2cm、4.4cm
Pb 10枚
L側につけたAPDの出力電荷量
L
R
R側につけたAPDの出力電荷量
出力電荷量（ゲイン補正後） （括弧内は4.4cmを基準とした電荷量のずれ）
L側
2010/3/22R側
2cm [fC]
3.2cm [fC] 4.4cm [fC]
6725 (-4.4%) 7016 (-0.26%)
7034
3835 (+2.5%)
3724 (-0.51%)
3743
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beam
実験結果１ （APDの場合）
陽電子ビーム ビーム入射角度 30度
100GeV
ビーム入射位置 Rから2cm、3.2cm、4.4cm
Pb 10枚
APD gain： 1倍
Amp gain： 1倍
APD size: 10×10 mm2
L側につけたAPDの出力電荷量
L
R
APD gain： 1倍
Amp gain： 1倍
APD size: 10×10 mm2
R側につけたAPDの出力電荷量
出力電荷量（ゲイン補正後） （括弧内は4.4cmを基準とした電荷量のずれ）
L側
2010/3/22R側
2cm [fC]
3.2cm [fC] 4.4cm [fC]
20.3 (-4.3%) 21.2 (±0%)
21.2
40.7 (+2.2%)
39.6 (-0.5%)
39.8
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beam
実験結果２ （PN-PDの場合）
陽電子ビーム ビーム入射角度 30度
100GeV
ビーム入射位置 Rから2cm、3.2cm、4.4cm
Pb 10枚
L側につけたPN-PDの出力電荷量
L
R
R側につけたPN-PDの出力電荷量
出力電荷量 （括弧内は4.4cmを基準とした電荷量のずれ）
L側
2010/3/22R側
2cm [fC]
3.2cm [fC] 4.4cm [fC]
0.76 (-7.4%) 0.86 (+3.6%)
0.83
1.61 (+29.2%)
1.33 (+6.3%)
1.25
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