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/SEUC B 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.

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1 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/SEUC B 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

2 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 mm 3 ） 16 本 ×12 層 （ 27 X 0 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 S/N の温度依存性 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 発光量 PWO は発光量変化 ノイズ量 APD はノイズ量変化

3 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/cm 3 ] 放射長当りの 長さ [cm/r.l.] 放射長当りの 面積密度 [g/cm 2 ] NaI3.672.599.54 BGO7.131.128.09 PWO8.280.897.37 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 20mm 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

4 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 Shaping Amp gain 比 Total gain 比 ① 5018302.7×10 4 ② 501819×10 2 ③ 1130 ④ 1111  PMT （ 1 層目） トリガー生成 APD/PD dual package （ S10937-9351 ） PMT （ R11822 ） APD （ 100mm 2 ） S8664-1010 PD （ 5.8mm 2 ） S1227-33Br φ8mm Effective ADC [ch] MIP 数  APD/PD （ 2 層目以降） 4 系統 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 APD ③ PD ④ PD ＋ High gain Shaping Amp ＋ Low gain Shaping Amp ＋ High gain Shaping Amp ＋ Low gain Shaping Amp

5 1MIP の温度依存性測定  測定項目 ： PWO ＋ APD － PWO : CALET 試作品 （ 20×20×320 mm 3 ） 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] 20401 25405 30409 35413 40417 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

6 測定システム PWO(W003) Trigger Sci.(S1) Trigger Sci.(S2) PMT PreAmp APD/PD 恒温槽 QDC PH-ADC Shaping Amp Trigger Logic muon Divider ◆ Trigger Sci. : ELJEN, EJ-204 （ 20×10×320 mm 3 ） ◆ PMT : HAMAMATSU, H10721-210, @-850 V ◆ QDC : CAEN, V965A, 12 bit ◆ PreAmp : CALET 用 HIC の試作品 ◆ Shaping Amp : Bi-Polar, t shape =1.4 us ◆ PH-ADC : CLEAR-PULSE, 1112, 16 bit PreAmp （ CALET 用 HIC の試作品） Side view

7 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）

8 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℃30℃ 35 ℃ 40℃40℃ 2.4 [fC]

9 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 RMS Meter Shaping Amp Bias PreAmp APD 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

10 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 → 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] Number of PWO Logs 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）

11 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 [deg] 0 +80 -80

12 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

13 END