JPS 2006 奈良女子大学
シリコンドリフト検出器とフラッシュADCを用いた
K中間子ヘリウム原子X線測定システム
理化学研究所 岩崎先端中間子研究室
板橋 健太
JPS 2006 奈良女子大学
K中間子ヘリウム原子精密分光
K中間子原子の 3d →2p
遷移X線測定
K中間子⇔原子核の相互作用を決定
測定原理
- K-を液体ヘリウム標的に止めて
脱励起過程で放出される X 線を計測
-原子核吸収の後放出される荷電粒子も
計測することで標的内部での事象のみ選択
X線
K-中間子ビーム
超流動液体
4He標的
ドリフトチェンバー
実験セットアップ
KEK 12GeV PS
K5 ビームライン
中性子・陽子 TOF 検出
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π/陽子トリガ・トラッキング
E549(Deep K) のセットアップ+標的周辺のみ改造
標的周辺
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X線検出器
SDD 8基
(21pSD-8 竜野、岡田等)
プリアンプ
Shaping time
0.2 ms ---トリガ用
0.1, 3 ms --- FOUT,OUT
(エネルギー計測用)
ADC
Shaping Amp
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X線測定器系に対する要求
何 keV の X 線…
約 2~10 keV
どのくらいの精度が欲しいのか…
±1 ~ 2 eV @ (3d→2p)
E549 (Deep K)実験のセットアップは…
なるべく流用
トリガ条件は…
K-入射 × 荷電粒子横跳ね × SDD ヒット
Deep K と同じ⇔ Deep K と同時に走りたい
E549 と干渉しない工夫
(邪魔をしない…)
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つまり
DAQ も E549 と干渉しない工夫が必要…
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E549側の DAQ は…
K 同定
荷電粒子トリガ
バーテックス
TOF 計測
約3000 ch
シンチ ~ 20 ch, ルサイト ~ 4ch, チェンバー 16 面 x 32 ch
シンチ ~ 80 ch など
上下左右 1500 ch 程度
500 ch 程度
→
TKO SCH-SMP x 7 → 900 トリガ/スピル(0.7秒)
X線分光 = E549 + 80 ch 程度
SDD のシグナル 8ch x
2 種類(FOUT + OUT) x (P.H. ADC [逐次比較+ウイルキンソン] + TDC) +scaler…
に加えて、精密分光を達成するため なるべく多くの
キャリブレーションデータが必要
SDD のセルフトリガで Flash ADC でもデータ取得…
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Flash ADC に求められる性能
○立ち上がり1 ms のシグナルで
十分なポイント数
○十分な bit 数
○>1 kHz のトリガを高いライブレートで
なるべく多くの較正ピークデータを取得
○…そして、既存のDAQを邪魔しない構成
既存の DAQ (TKO) には変更を加えずに
独立した高速の DAQ を構成
トリガ
通常は
SDD のセルフトリガでデータ取得
但し
TKO トリガ = (K入射 x 荷電粒子が横跳ね)
且つ SDD hit の場合は、こちらのトリガを優先して取得
NIM のロジックで作成…
SIS3301 Flash ADC (SIS 典型的な波形データ
社製)
VME, 8ch, 105MHz,
Common Stop
14bit, Dual buffer
0-5 V dynamic range
FOUT x 10
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バッファ上の位置
OUT
Auto Start
User bit (フロントパネルのNIM入力の真/偽)も同時に記録
○ トリガディシジョンが遅くても(~1 ms)大丈夫 → 複雑なトリガ条件でも対応可能
○ イベントにフラグが立てられる(セルフトリガと「K入射 x 荷電粒子横跳ね」を区別可能)
問題は、同期…
データポイント
ほぼ独立にデータを取っているので、オフラインでイベント照合しなければならない
1. User bit によるイベント識別 + イベントの発生時間による照合
2. Function Generator (遅いSin波) の信号を Flash ADC と TKO P.H. ADC に
同時にフィードすることで照合を確認
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1. イベントの発生時間による照合
○ スピルごとにイベントを照合
○ スピル番号(4秒間隔)は、インタラプトのかかった
PC上の時間から再構成
○スピルの直前に TKO/F-ADC 両方を veto した後、同時にトリガを送出(空読み)
→ スピル先頭で同期を保障
○ TKO 側のイベント発生時間は100 kHz クロックをTKOスケーラーでカウントして
イベント間隔を計測
○ Flash ADC 側のイベント発生時間は内蔵の 105 MHz クロックのデータを利用
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TKO/F-ADCどちらかに照合できない余計なイベントがある場合の例
赤 Flash ADC
黒 TKO
←
拡大
←
←
一つ余計なイベント
余計なイベントの判定をプログラムで行い…
空読み
イベント番号(user bit の立ったイベント)
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2. Function Generator(遅いSin波) の信号で、
実際に照合した結果は…
Run 333 (170395 イベント)
100 % イベント照合成功
F-ADC による測定
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エネルギースペクトルの導出
ピーク付近 16 点を 2 次の多項式でフィット
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Flash ADC
ほぼ Consistent?
TKO P.H. ADC
もっと詳しい波形の解析→分解能の評価などはこれからの予定
Flash ADC に期待される効能(1)
レートが低い場合
レートが高いとスペクトルがゆがむ ⇔ パイルアップ?
レートが高い場合
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少なくとも、パイルアップの除去には使用可能
ソフトでほぼ 100 % 判別可能
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Flash ADC に期待される効能(2)
恐らく、Differential Non Linearity に ADC の”癖” が残りにくい
Flash ADC は数点をフィットしてピーク位置を求める
Function Generator (Sin 波)
TKO
1024 が落ちてます...
Flash ADC
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まとめ
SDD + Flash ADC を 用いてK中間子ヘリウムX 線の測定を行った
TKO P.H. ADC ベースのシステムと Flash ADC の二つのシステムで
ほぼ独立してデータ収集を行い、両者の間のイベント照合に成功した
DNL、分解能、安定性 などのスタディを進行中であるが、TKO ベースの
システムとイベント照合できたことにより、少なくとも現在問題となっている
パイルアップの除去については威力を発揮しそう
J-PARC E-17 「K中間子ヘリウム3原子X線分光実験」に向けてより詳しいスタディ
さらに将来的には
独立した DAQ 間のイベント照合
⇒ 検出器ごとの時間定数に従って、トリガレスでデータ収集し、実験後に時系列に
従ってコインシデンス解析を行う、フルパイプラインシステム
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KEK-PS E570 Collaboration
G. Beer1, H. Bhang2, M. Cargnelli3, J. Chiba4, S. Choi2,
C. Curceanu5, Y. Fukuda6, T. Hanaki4, R. S. Hayano7, M. Iio8,
T. Ishikawa7, S. Ishimoto9, T. Ishiwatari3, K. Itahashi8, M. Iwai9,
M. Iwasaki8, B. Juhasz3, P. Kienle3, J. Marton3, Y. Matsuda8,
H. Ohnishi8, S. Okada8, H. Outa8, M. Sato6, P. Schmid3,
S. Suzuki9, T. Suzuki8, H. Tatsuno7, D. Tomono8,
E. Widmann3, T. Yamazaki8, H. Yim2, J. Zmeskal3
Victoria Univ.1, SNU2, SMI3, TUS4, INFN(LNF)5,
Tokyo Tech6, Univ. of Tokyo7, RIKEN8, KEK9
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スペア
Posix thread を使用した複数スレッド
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スレッド1 ... SIS3301 のインタラプトを受けてリングバッファに読み出し
スレッド2 ... リングバッファにデータがある限り書き出し
スレッド3 ... 暇があればオンライン解析
10kHz クロックで動作可能
但し 1 分もたたずに、1GB のデータ
Linux Box
Bit3-617
SIS3301
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今後の実験?
・次に、何がしたいか?
JPARCで
・K- 3He原子 3d -2p X線観測
--- 残っている可能性も
・少数系での完全実験
= 生成・崩壊を同時に押さえる
・重い核へ
= 核子安定か?
K   NZ A  K    NZ22A
 K  pnn  p  res.  NZ22A  S0 (3115)  p  res.
cf. Kは核を選ばずpp対を見つける? FINUDA
・ KK状態探索

= 何処を探せば良い?
= H、ハイパー核?
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Embedding K?
・Deep!
~ 100 MeV
cf: B ~ 10 MeV
・Narrow!
~ 20 MeV
= meta-stable
A. Dote et al. : PLB 590 (2004) 51
・Shrink!
!!!YES!!!
☞ hadron mass
☞ astronomical study
Y. Akaishi & T. Yamazaki : PRC 65 (2002) 044005
= high density?
まず現状...
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K束縛核(=K中間子が原子核に束縛された状態)観測実験
生成反応 4He(stopped K-,N)
Y. Akaishi & T. Yamazaki : PRC 65 (2002) 044005
密度~normal nuclear density の数倍?
→ 例えば、カイラル対称性について貴重なデータ
まず現状...
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K束縛核(=K中間子が原子核に束縛された状態)観測実験
生成反応 4He(stopped K-,N)
KEK-PS E471, E549 @ K5
観測されたシグナル
T. Suzuki et al. : PLB 597 (2004) 263-269
・陽子に顕著
・semi-inclusive !
・中性子で観測したより軽い
・幅は、非常に狭いf
ストレンジトライバリオン
の発見!?
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J-PARC では
•標的に 3He, 9Be 等、系統的な研究
• K 二個入り原子核
• 生成・崩壊に関与する粒子を全て計測する完全実験
・3He標的
K  3 He  K  ppp   
K  ppp  p  p  pp   p
Spectator?
Participant

K
+
K
S0のアナログ状態生成
p
(S0とのエネルギー差?)
p
K
p
Spectator
P. Kienle
N
N
N
Akaishi-
n
N
N
K
K
K
K
K
N
N
N
+
0
K
*
K
K
p
N
N
p
N
N
-
K
Kp
N
N
J-PARC での実験条件
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L-10, K1.1ビームライン
K = 900 MeV/c, 10 M/spill
K/ ~ 1
生成反応は?
(K-,p) , (+, K+), (K-, n) ???
-)
•質量欠損スペクトロスコピー
•タギングも必要
3He(K-,
検出器
•入り口に、シンチアレイと
チェンバーが2セット
•出口にも2セットと PID 用の
チェレンコフか何か
•標的の周りにタグ用の CDS
っぽいもの
500~600 MeV/c
検出器とチャネル数
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Beamline Spectrometer 前後 (最大30 MHz 程度)
チェンバー MWDC x 4 セット XX'UU'VV'
200 x 100 @ 2 mm スペーシング = 100 x 6 x 4 = 2400 ch
シンチ (25 ストリップx2 層x2台?) 200 ch
----------------------------------------------------------ワイヤあたり 300 ~ 500 kHz 程度 ← ちょっと厳しい?MWPC?
カウンターストリップあたり 2 MHz 程度 ← 小さなPMT では厳しいかも
SPESII 前後 (入り口最大30 MHz~出口側数MHz?)
チェンバー MWDC (6層 XX'X'YY'Y)
入口側 2 台 200 x 200 @ 2mm = 100 x 6 x 2 = 1200 ch
出口側 2 台 1000 x 1000 @ 10mm = 100 x 6 x 2 = 1200 ch
シンチ+チェレンコフ 2x100 PMT 400 ch程度
----------------------------------------------------------ワイヤあたり 入口で 300 ~ 500 kHz 程度
出口は 数十kHz 程度
カウンターストリップあたり 数十kHz 程度
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CDS
崩壊粒子の運動量(~300MeV/c) 、シングルレートは数~数十MHz程度以下
立体角を最大化したい
ソレノイドの中に入れて、運動量を分析したい
SSD を入れるには、崩壊粒子の運動量が小さすぎるしレートが低いはず
[email protected] っぽいもの?
Pad 読み出しなら 4000 ch Stereo Strip なら 500 ch 位? ←何か考えが必要
CDC (Pad 読み出しRTPC と両立しないのでは?)
r<150 @ 20 mm x 6 層 → ワイヤあたり 100 kHz 以下 360 ch 位?
トリガ用シンチ 100ch 位?
r=7.5~9.5 cm, z= 30 cm
図は以下より引用
BoNus/JLAB http://www.jlab.org/~hcf/bonus/
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まとめ
Beamline Spectrometer 前後 ~ 2,500 ch
SPESII 前後
~ 2,500 ch
CDS
~ 1,000 ~ 5,000 ch
---------------------------------------------------------------------総計
TDC 6,000~10,000 ch
QDC 3,500~7,500 ch
TKO なら
HRTDC ~ 1,000 ch 以下
Dr.T かマルチヒット(TMC?)
~ 5,000 ~ 9,000 ch
ADC
~ 3,000 ~ 7,000 ch
• 高密度、高速コンバージョン
• でも、クレート前から差すのは避けたい.
• 他の装置と連携できるように、いろいろな種類のモジュールと
簡単かつ、より柔軟な SDS のシステム
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こんな DAQほしいかも
• 検出器ごとに近くでデジタル化
ケーブルの引き回しが無くて楽
(というかノイズが乗りにくいし)
• トリガレス (セルフトリガ)
取りっ放し、書きっぱなし、取得率 100 %
• 高精度の時計内蔵
グローバルな時間に変換して
イベントビルドは後ほど.
多分、時計自身の設計と、とにかく同期を取るのが大変
多分、高くつく.データ量も多い.
簡単ならみんな、もうやっている.
以上です.
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