MEG II実験陽電子タイミングカウンターのためのパルスレーザーを用いた時間較正システムの構築

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1 MEG II実験陽電子タイミングカウンターのためのパルスレーザーを用いた時間較正システムの構築
東京大学理学系研究科物理学専攻 中尾光孝, 他MEGIIコラボレーション + 九大の方々

2 Contents MEGⅡ実験 Timing Counter の時間較正 Laser Calibration Laser
カウンター間の時間較正 本研究の目的 Laser Calibrationの全体像 Laser Calibration Systemのインストール Laser Calibrationのチェック項目 Laser Calibration Laser Calibrationの 実現へ向けた テストと展望 Laser Calibration Test Setup 解析手法 ファイバー接続の再現性 カウンターを立てた状態での安定性 今後の予定 MITSUTAKA NAKAO  Page 2

3 Contents MEGⅡ実験 Timing Counter の時間較正 Laser Calibration Laser
カウンター間の時間較正 本研究の目的 Laser Calibrationの全体像 Laser Calibration Systemのインストール Laser Calibrationのチェック項目 Laser Calibration Laser Calibrationの 実現へ向けた テストと展望 Laser Calibration Test Setup 解析手法 ファイバー接続の再現性 カウンターを立てた状態での安定性 今後の予定 MITSUTAKA NAKAO  Page 3

4 twice higher beam intensity
Xenon Calorimeter SiPM readout Stereo wire drift chamber 　　　Tracking the positron till near TC twice higher beam intensity （stopping µ ~7×107） γ Radiative Decay Counter　 e Pixelated Positron Timing Counter (TC) MEGⅡ実験検出器 MITSUTAKA NAKAO  Page 4 4

5 カウンター間の時間較正 時間較正 Michel Calibration Laser Calibration
512個のカウンターは時間のオフセットをもっているので、30psの精度で時間を合わせる必要がある。 ガンマ線検出器との時間合わせはミューオン輻射崩壊(μ→eγνν)を用いて行う。 カウンター間の時間較正にはMichel CalibrationとLaser Calibrationという2つの独立な方法を用いて行う。 時間較正 Michel Calibration Laser Calibration MEGⅡ実験のメインのBGである、Michel崩壊(μ→eνν)の陽電子を利用する。 カウンターのヒット情報からクラスターをつくり、軌跡を再構成し、データカットを行う。 得られた軌跡毎にカウンターのTOFを計算する。 以下のχ2を最小化するような、時間オフセットをカウンター毎に計算する。 すでにビームテストのデータを用いて確かめられた(西村,日本物理学会2014年秋季大会19pSG4)。 同じ光源から全カウンターにパルスレーザーを同時照射する。 以下の点で、Michel Calibrationと相補的な方法である。 場所依存がない データを貯める必要がない 時間オフセットをモニターできる 測定時間 計算した時間 カウンターに固有の時間オフセット MITSUTAKA NAKAO  Page 5

6 本研究の目的 カウンター間の時間の較正手法であるLaser Calibrationシステムを構築すること。 目的
Michel Calibration Laser Calibration MEGⅡ実験のメインのBGである、Michel崩壊(μ→eνν)の陽電子を利用する。 カウンターのヒット情報からクラスターをつくり、軌跡を再構成する。 得られた軌跡毎にカウンターのTOFを計算する。 以下のχ2を最小化するような、時間オフセットをカウンター毎に計算する。 すでにビームテストのデータを用いて確かめられた(西村,日本物理学会2014年秋季大会19pSG4)。 同じ光源から全カウンターにパルスレーザーを同時照射する。 以下の点で、Michel Calibrationと相補的な方法である。 場所依存がない データを貯める必要がない 時間オフセットをモニターできる 測定時間 計算した時間 カウンターに固有の時間オフセット MITSUTAKA NAKAO  Page 6

7 Contents MEGⅡ実験 Timing Counter の時間較正 Laser Calibration Laser
カウンター間の時間較正 本研究の目的 Laser Calibrationの全体像 Laser Calibration Systemのインストール Laser Calibrationのチェック項目 Laser Calibration Laser Calibrationの 実現へ向けた テストと展望 Laser Calibration Test Setup 解析手法 ファイバー接続の再現性 カウンターを立てた状態での安定性 今後の予定 MITSUTAKA NAKAO  Page 7

8 Laser Calibrationの全体像
Light switch =512 counters ×8ch ・・・ Laser Controller 〜 Long Fiber 10m photodiode Waveform Digitizer LASER Mode Scrambler Light Splitter 1×8 Fiber 2.5m ・あらかじめch毎のずれは測定しておく レーザーを照射したときの様子 Laser Head レーザー源としてPICOSECOND LIGHT PULSER PLP-10(浜松ホトニクス社)を用いる。 同じ光源から全てのカウンターにレーザーを同時照射する。 十分な光量を確保するため、Light Switchによって切り替え、1回に64カウンターずつ較正を行う。 各カウンターの時間オフセットをレーザーの時間を基準にして求める。 (浜松ホトニクス社HPより) -Wavelength 405 nm -Wavelength FWHM < 10 nm -Pulse duration typ. (max) 60 (100) ps MITSUTAKA NAKAO  Page 8

9 Laser Calibration Systemのインストール
Fiber 2.5m Long Fiber 10m ビームエリア外より MITSUTAKA NAKAO  Page 9 Light Splitter Holder

10 Laser Calibration チェック項目
どのようにしてファイバーをカウンターに固定するか？ Laserの安定性 Light switch =512 counters ×8ch ・・・ Laser Controller 〜 Long Fiber 10m photodiode Waveform Digitizer LASER Mode Scrambler Light Splitter 1×8 Fiberを曲げても大丈夫か？ Splitter後で十分光量があるか？ Light switchがうまく機能するか？ MITSUTAKA NAKAO  Page 10

11 Laser Calibration チェック項目
✔ Laserの安定性 →Laser装置の電源を入れて200分以上たってから測定を行う。 どのようにしてファイバーをカウンターに固定するか？ Light switch ×8ch ・・・ Laser Controller 〜 Long Fiber 10m photodiode Waveform Digitizer LASER Mode Scrambler Light Splitter 1×8 ✔ Fiberを曲げても大丈夫か？ →Fiberを曲げる前後でTimeoffset、光量ともに変化なし。 ✔ Splitter後で十分光量があるか？ Light switchがうまく機能するか？ →10月中旬よりテスト予定。 MITSUTAKA NAKAO  Page 11

12 Laser Calibration チェック項目
ファイバー固定方法(案1:横ねじ型) どのようにしてファイバーをカウンターに固定するか？ 具体的には、 固定方法に再現性があるか？ カップリングとして何を用いるか？ 長期間のRunのための安定性はあるか？ に注目してテストを行った。 プラシンチ+リフレクター(鏡面反射型, 3M ESR film) ねじで横から押し付けて固定する ファイバー先端 (セラミック,1.8mm) × ファイバー (0.9mm) ファイバー ファイバー固定方法(案2:縦ねじ型) 加工したねじにファイバーを通して下から押し付けて固定する SiPM+PCB 3Dプリンタで作成したサポート構造 MITSUTAKA NAKAO  Page 12

13 Contents MEGⅡ実験 Timing Counter の時間較正 Laser Calibration Laser
カウンター間の時間較正 本研究の目的 Laser Calibrationの全体像 Laser Calibration Systemのインストール Laser Calibrationのチェック項目 Laser Calibration Laser Calibrationの 実現へ向けた テストと展望 Laser Calibration Test Setup 解析手法 ファイバー接続の再現性 カウンターを立てた状態での安定性 今後の予定 MITSUTAKA NAKAO  Page 13

14 Laser Calibration Test Setup
レーザーに同期したパルスを DAQのトリガーとして用いる。 Laser Controller Waveform Digitizer LASER Mode Scrambler ModCon Arden社 Fiber tipe: 50μm Serial no, 3870 Light Splitter 1×8 Long Fiber 10m Light Splitter 1×4 Multi mode fiber 〜 〜 Lightel Technologies Inc. Fiber Optic Coupler Module Multi Mode パワーメータを用いて レーザーパワーをモニターする 写真は吉田さんの写真使うか、綺麗にして撮り直すかしよう。 c.f. 本番のセットアップ Counter Long Fiber 10m Mode Scrambler Splitter レーザー MITSUTAKA NAKAO  Page 14

15 解析手法 ① ② ③ ④ -500 -400 -300 [ns] CH1 CH2 レーザーに同期したパルス CH1 CH2
各波形について、Heightの一定の割合のところをシグナルの時間とする(constant fraction time)。 CH1 CH2 Waveform Digitizer Laser Controller ① シグナルの時間 レーザーに同期したパルス 11% ● 600mV 　 　 [ns] CH1 ② CH1の時間(t1)、CH2の時間(t2)、レーザー同期パルスの時間(tsync)を得る。 カウンターのヒット時間(thit)は、 ③ CH2 カウンターの時間オフセット(toffset)は、 で、これをガウシ アンでフィッティ ングする。 ④ レーザーに同期したパルス カウンターの 時間オフセット σ〜50[ps] 取得した波形 MITSUTAKA NAKAO  Page 15

16 再現性テスト ファイバーとカウンターのカップリングを次の2つで比較する。 抜き差しを繰り返し、時間オフセットのばらつきをみる。
Concept 参照カウンターは寝かせておく メインカウンターは 立てておく ファイバーとカウンターのカップリングを次の2つで比較する。 光学グリスなし 光学グリスあり 抜き差しを繰り返し、時間オフセットのばらつきをみる。 温度変化やレーザーパワーによる変化を相殺するため、メインカウンターと参照カウンターの時間オフセットの差に注目する。 要請されるばらつきはσ < 30ps ファイバーを2段階にしてより本番に近づけた。 Reference Counter TOP VIEW MITSUTAKA NAKAO  Page 16

17 [結果]再現性テスト 横ねじ型 縦ねじ型 グリスあり グリスなし Timeoffset[ps] σ:49.9ps σ:26.5ps
Counter:立てる Reference:寝かせる Timeoffset[ps] σ:49.9ps σ:26.5ps 横ねじ型 σ:12.1ps σ:22.1ps 縦ねじ型 グリスあり グリスなし 再現性・カップリングという観点では、「縦ねじ型・グリスあり」が最善である。 MITSUTAKA NAKAO  Page 17

18 [結果]再現性テスト2 横ねじ型 縦ねじ型 グリスあり グリスなし Counter: 立てる Counter: 寝かせる Counter:
Timeoffset[ps] Counter: 立てる σ:49.9ps σ:26.5ps Counter: 寝かせる σ:40.7ps σ:10.5ps Counter: 立てる σ:22.1ps σ:12.1ps σ:77.8ps Counter: 寝かせる σ:11.6ps グリスあり グリスなし 縦ねじ型 MITSUTAKA NAKAO  Page 18

19 安定性テスト ファイバーとカウンターのカップリングは光学グリスなしで固定する。 抜き差しをせずに、1から2時間毎に時間オフセットを測定する。
Concept 参照カウンターは寝かせておく メインカウンターは 立てておく ファイバーを2段階にしてより本番に近づけた。 Reference ファイバーとカウンターのカップリングは光学グリスなしで固定する。 抜き差しをせずに、1から2時間毎に時間オフセットを測定する。 温度変化やレーザーパワーによる変化を相殺するため、メインカウンターと参照カウンターの時間オフセットの差に注目する。 要請されるばらつきはσ < 30ps Counter TOP VIEW MITSUTAKA NAKAO  Page 19

20 [結果]安定性テスト 横ねじ型 σ〜11.6[ps] 1day 1day 横ねじ型について、短期の安定性テストを行った。
100 [ps] 1day 横ねじ型 1day 横ねじ型について、短期の安定性テストを行った。 2日間のばらつきは、12[ps](<30[ps])で、カウンターは立てた状態で安定であるといえる。 より長期の安定性は現在測定中である。 縦ねじ型の安定性については今後測定予定である。 MITSUTAKA NAKAO  Page 20

21 今後の予定(Calibration for TC)
10月中旬まで接続方法の追加テスト Light switchのテスト 10月中旬から実験ホールにTCをインストール レーザーシステムをインストール(64チャンネル) 複数の再現性・カップリング方式を同時に導入(16チャンネルずつなど) 12月からMichel Runを開始 データを解析してMichel CalibrationとLaser Calibrationの整合性を確かめる Laser Calibrationのセットアップを確定 Laser CalibrationのMass Production We are here! 2015 Engineering Run 2016 Engineering Run Physics Data Taking μ→ eγ Discovery MITSUTAKA NAKAO  Page 21 MITSUTAKA NAKAO  Page 21

22 Summary MEGⅡ実験 Timing Counter の時間較正 Laser Calibration Laser
MEGⅡ実験の512個のカウンター間の時間較正のために、Michel CalibrationとLaser Calibrationの2つの方法を検討している。 Laser Calibrationは同一の光源を用いて全カウンターに同時に入射し、各カウンターの時間オフセットを求める較正方法である。 Laser Calibration Laser Calibrationの 実現へ向けた テストと展望 Laser Calibrationの実現に向けてファイバーとカウンターの接続方法のテストを行った。 「縦ねじ型・グリスあり」が接続方法の第一候補である。 Engineering Runでの結果を踏まえて最終的なLaser Calibrationシステムを決定する。 MITSUTAKA NAKAO  Page 22