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CANDLES 実験のデータ収集システム
CANDLES 実験のデータ収集システム 梅原さおり [email protected] 能町正治、味村周平、菅谷頼仁、鈴木耕拓、 坂雅幸、関孔明、玉川洋一、前田翔平 CANDLES collaboration Osaka University, University of Fukui, University of Tokushima, Hiroshima University, Saga University, Kyoto San-gyo University Tokyo Institute of Technology, Sophia University 概要 CANDLES システム 二重ベータ崩壊 CaF2(pure) シンチレータ 液体シンチレータ バックグラウンド データ収集 要求 現状システム 導入予定システム Summary 梅原さおり, 2012年1月29日, データ収集システム研究会 二重ベータ崩壊 ニュートリノを放出しない 二重ベータ崩壊 二重ベータ崩壊 ニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊 not observed T1/2 > (~1025years) cf. H.V. Klapdor-Kleingrothaus et al. 二重ベータ崩壊の測定 原子核 低バックグラウンド環境 CANDLES 検出器 二重ベータ崩壊測定 FADCを用いて低バックグラウンド環境 梅原さおり, 2012年1月29日, データ収集システム研究会 CANDLES III システム CANDLES （神岡に建設） CANDLES III Kamioka Lab. Map 3m 直径 × 4m 高さ (水タンク) KamLAND Lab D Super Kamiokande 4m 3m CANDLES CANDLES III UMEHARA Saori, 12th May. 2010, RCNP CANDLESのデザイン CANDLES at Kamioka underground laboratory 4m CANDLES III CaF2 シンチレータ (CaF2(pure)) 二重ベータ崩壊核 48Ca (Q =4.27MeV) 液体シンチレータ (LS) CaF2に対する 全方向ベトー検出器 大型光電子増倍管 CaF2と液体シンチレータからの 信号を同時に観測 CaF2 Liquid Scintillator Water PMTs 3m FADCをもちいてイベント弁別 時定数の違い : ～1sec CaF2(pure) Liquid scintillator : a few 10 nsec Design Concepts of CANDLES CANDLES at Kamioka underground laboratory CANDLES III CaF2 シンチレータ (CaF2(pure)) 二重ベータ崩壊核 48Ca (Q =4.27MeV) 液体シンチレータ (LS) CaF2に対する 全方向ベトー検出器 メイン検出器 CaF2 シンチレータ (300kg) 液体シンチレータ タンク(2m3) 大型光電子増倍管 CaF2と液体シンチレータからの 信号を同時に観測 FADCをもちいてイベント弁別 13inch、17inch 光電子増倍管 時定数の違い : ～1sec CaF2(pure) Liquid scintillator : a few 10 nsec バックグラウンド除去（ＬＳ） CANDLESで観測される波形 of CaF2 = ~1000nsec LS = ~20nsec 200 CaF2 150 250 Pulse Height 250 Pulse Height Pulse Height 典型的な波形（3種） 250 200 CaF2+LS 200 =バックグラウンド 150 150 100 100 100 50 50 50 0 0 0 100 -100 150 200 250 300 400 500 450 600 500 -200 0 100 200 350 300 400 TimeTime(2ns) (nsec) 100 -100 150 200 250 200 300 300 350 400 400 500 450 600 500 -200 0 100 トリガーレート: 低い (シンチレータ体積: 1 （CaF2） TimeTime(2ns) (nsec) >>>> : LS =バックグラウンド 100 -100 150 200 250 200 300 300 350 400 400 500 450 600 500 -200 0 100 TimeTime(2ns) (nsec) 高い 20（LS） ) CANDLES システム のために. . . ・“短い信号（数十nsecのLS）”と“長い信号((~4sec のCaF2)” を観測できるFADC ・CaF2を効率よく検出するためのトリガ バックグラウンド除去 （内部不純物） CANDLESシステムでのバックグラウンド CaF2(pure)内部の放射性不純物 バックグラウンドプロセス Th系列 232Th 212Bi Q = 2.25MeV 64% 212Po 208Pb stable T1/2 = 0.3sec Q = 8.95MeV Pile-up 事象 (連続事象) CaF2(pure) :の時定数が ~1s長いため Emax = 5.3MeV (Q = 4.27MeV) pile-up 事象として同定する必要がある t=~10nsec ・波形を記録するための高速サンプリングのFADCが必要 梅原さおり, 2012年1月29日, データ収集システム研究会 要求 FADC、ＤＡＱシステム FADCへの要求 波形情報 (>>100MHz) 必要：液体シンチレータ波形を弁別 必要：連続信号を弁別 。。。だが、データサイズは小さいほうがよい 波形の最初（時定数：数10nsec ）：高速サンプリング 波形の後半（時定数：1sec） ：低速サンプリング トリガーシステムへの要求 CaF2 信号は高トリガー効率 液体シンチレータは低効率 選択的トリガー CANDLES用のＤＡＱシステムが必要 現状のデータ収集システム データ収集部分と警報装置 ATCA トリガー モジュール 500 MHz FADC TCP/IP イベントリーダー オンライン アナライザ ハードディスク Shared memory 測定条件 警報装置部分 パソコン Windows Smart Site Utility TCP/IP ＨＶオフ ステータス コントローラ 96ch分 Linux 小型コンピュータ Space Cube デバイスドライバ Readout モジュール PMTデータ収集部分 Linux パソコン 日置遠隔計測監視システム 温度、湿度 油漏れ・水漏れ などなど 梅原さおり, 2012年1月29日, データ収集システム研究会 CANDLES用FADC ATCA Subrack 500MHz FADC FADCマザーボード ・500MHz FADC(Finesse board) : KEK開発 ・FADC ボード一枚に2個のアナログ入力 ・12枚のマザーボード. =96のアナログ入力 梅原さおり, 2012年1月29日, データ収集システム研究会 CANDLES用FADC Data Suppression 800 700 600 CaF2+LSの典型的波形 500MHz at beginning ~16MHz at end 500 400 300 500MHz at beginning 700 600 500 ~16MHz at end 400 300 200 200 100 0 800 Pulse Height Pulse Height 波形の最初を高サンプリング, 後半を低サンプリング 100 500 750 2000 1000 12503000 1500 1750 2000 00 250 1000 4000 Time (nsec) LS 波形 CaF2 波形 0 -200 -400 -100 0 100 500MHz×256 200 400 300 400 Time (nsec) 800 ～ 16MHz×128 (Sum at FPGA) Clear Discrimination between CaF2 and Liquid scintillators and Data size is small. ・500MHz×2048data → 500MHz×256data + 16MHz×128data 選択的トリガー Threshold for Integrated Signal CaF2 : = 1sec, LS : = a few 10nsec 波高に対する閾値 CaF2 Signal LS Signal Trigger rate CaF2 < LS pulse height CaF2 Signal LS Signal 積分値に対する閾値 = 光電子数に感度あり Trigger rate CaF2 > LS ゲート内の >> >> 電荷 Integration in the running gate = Dead time less trigger 選択的トリガー Charge ratio distribution Ratio Partial/Full Charge Ratio = with Trigger for LS Charge in Short Gate Charge in Full Gate Full Gate 0.8 for LS 0.1 for CaF2 Short Gate 1 0.8 0.6 CaF2 0.4 0.2 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Pulse Height Pulse Height 液体シンチレータ信号はない 積分値に対する閾値は きちんと機能している 800 700 CaF2 + LS 600 500 400 Event Distribution with Trigger for CaF2 LS Region 0.8 80 60at 0.6 CaF2+LS 40 200 600 100 500 0 400 300 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 Time(2nsec) CaF2 Event 200 100 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 Time(2nsec) at 2600keV 1 0.4 300 700 0 Ratio CaF2 Energy(keV) 800 LS 0.2 00 CaF2 20 500 10001500200025003000350040004500 0 Energy(keV) CaF2 信号に対しては高効率 液体シンチレータはトリガーにかからない 2600keV 連続波形 212Bi→212Po decay Pile-up Th-Chain 212Bi 232Th T1/2 = 0.3sec 212Po Q=2.2MeV 64% Q=7.8MeV T1/2 = 1.1 x 1010year prompt delayed 時間差が短い場合 600 500 400 Delayed 300 Prompt β 500 400 500 400 300 200 300 100 0 -100 200 200 -50 0 50 100 150 200 Time(2nsec) 100 100 0 Pulse Height Pulse Height Pulse Height 典型的な連続波形 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 Time(2nsec) 0 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 Time(2nsec) Sum-up signal of 62 PMT オフライン解析によって、連続波形を識別可能 位置再構成 位置再構成 Counts position(X) Counts CaF2 信号の位置 各CaF2 結晶の位置は判別できる 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 -500-400-300-200-100 0 100 200 300 400 500 Position Y 300 5 CaF2s 250 200 150 100 3 CaF2s Counts position(Y) position(Z) 6 layers 250 200 Lower Upper 150 50 100 50 0 -500-400-300-200-100 0 100 200 300 400 500 Position X CaF2 位置の判別可能 0 -500-400-300-200-100 0 100 200 300 400 500 Position Z 梅原さおり, 2012年1月29日, データ収集システム研究会 現状のデータ収集システム データ収集部分と警報装置 ATCA トリガー モジュール 500 MHz FADC ハードディスク Shared memory 測定条件 ステータス ～2Mb/s Linux イベントリーダー コントローラ 96ch分 デバイスドライバ Readout モジュール 小型コンピュータ Space Cube PMTデータ収集部分 Linux パソコン オンライン TCP/IP アナライザ パソコン 波形 波形弁別状況 ＡＤＣ値 事象位置など Windows Smart Site Utility 警報装置部分 TCP/IP 日置遠隔計測監視システム 温度、湿度 油漏れ・水漏れ などなど システムとしては小さい割に シフトがチェックすべきところが分かれている。 →まとめてあるほうが便利 梅原さおり, 2012年1月29日, データ収集システム研究会 の他にも、バックグラウンド除去の点から改良が必要 他に予想されるバックグラウンド 結晶内部に含まれる不純物起源のバックグラウンド事象 208Tl 事象 Th系列 232Th 212Bi 208Tl 36% T1/2 = 3.1min Q = 6.09MeV Q = 4.99MeV 208Pb stable Ee=1.7MeV 212Bi と 208Tl(T1/2=3min) . . . 事象位置と時間相関から除去 バックグラウンド低減のための解析 208Tl事象 ：位置と時間相関解析、α線弁別 →先行α線を検出できるところまで閾値を下げる必要あり。 →取り込みレートを上げる必要がある。 100cps～、デッドタイムなし 梅原さおり, 2012年1月29日, データ収集システム研究会 要求 システムへの要求 取り込みレート：～100cps データサイズ：～10MB/s デットタイムレス リモート操作、リモートモニタが可能 実験室：神岡実験室Ｄ・後室、シフト：神岡、大阪、他 安全上必要な監視システム これらが統合されている だけど、一からつくるほど人手はない 梅原さおり, 2012年1月29日, データ収集システム研究会 今後目指すデータ収集システム データ収集部分と警報装置 PCIe 96ch分 デバイス ドライバ ATCA 500 MHz FADC イベントリーダー ハードディスク データ読み出し 高速化 シフトがチェックする部分 一から作るのは大変。 現在、DAQmiddlewareの導入を 進めているところ。 警報装置 モニタ ＨＶコントロール 警報装置部分 パソコン オンライン アナライザ ステータス コントローラ 監視サーバ 検出器 Ge モニタ Ge検出器部分 パソコン 液体窒素量 酸素濃度計 など パソコン CANDLESデータ収集部分 Linux 監視サーバ TCP/IP 日置遠隔計測 監視システム 油漏れ・水漏れなど 梅原さおり, 2012年1月29日, データ収集システム研究会 まとめ CANDLESシステム 二重ベータ崩壊測定 特徴的なバックグラウンド バックグランド除去のためのFADC 波形の最初は高サンプリング 波形の後半は低サンプリング 積分されたADC値に閾値をかける データ収集システム 光電子増倍管からの信号 実験室警報装置 Ge検出器用警報装置 が監視できるシステムの導入を目指す 梅原さおり, 2012年1月29日, データ収集システム研究会