[論文レビュー] Analog read-out of the RPCs in the ARGO-YBJ experiment

M. Iacovacci, S. Catalanotti+3 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2003

Particle Detector Development and Performance被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ARGO-YBJ実験における抵抗性板チャンバー（RPC）のアナログ電荷読み出しプロトタイプを提示する。ピークアンドホールド回路を用いて、1 m²あたり600–700粒子の粒子密度を測定する。システムは線形応答と低ノイズを達成しており、宇宙線シャワーのエネルギースペクトルの膝領域近辺を研究するため、デジタルストリップ読み出しをはるかに超える広いダイナミックレンジを実現する。

ABSTRACT

The ARGO-YBJ experiment, currently under construction at the Yangbaijing Laboratory (4300 m a.s.l.), consists of a single layer of about 2000 Resistive Plate Chambers (RPCs) for a total instrumented area of about 6700 m^2. The digital read-out, performed by means of pick-up electrodes 6.7 X 62 cm^2 ('strips'), allows one to measure the particle number of small size showers. To extend the size range up to the knee region it is necessary to implement the charge read-out of the detector chambers. In order to achieve this goal each RPC has been instrumented with two large size pads of dimensions 140 X 125 cm^2. In this paper the performance of the prototype circuit devoted to the charge read-out is reported.

研究の動機と目的

• 高エネルギー宇宙線シャワーのための、デジタルストリップ読み出しの限界を超えてARGO-YBJ実験のダイナミックレンジを拡大すること。
• 宇宙線スペクトルの膝領域近辺における大規模シャワーの粒子密度を正確に測定すること。
• 大面積RPCパッドからの高振幅信号を処理できる電荷測定回路の開発と試験。
• 将来のハイブリッドデータ取得のため、アナログ読み出しを既存のデジタルシステムと統合すること。
• 100 m²の検出器に設置する前に、性能とダイナミックレンジの妥当性を検証して本格導入に備えること。

提案手法

• 140×125 cm²のビッグパッドからの信号の最大振幅をキャプチャ・ホールドするユニティゲインのピークアンドホールド（PH）回路を採用。
• 信号の追跡は30 mVから開始され、ピーク値をキャプチャするため1.5 µsのタイミングゲートを設ける。
• 1.2 µsの変換時間を有する12ビットADCが、トリガ信号と同期してPH出力をデジタル化。
• ビッグパッド上にm.i.p.信号を再現するデジタルパルスジェネレータを用いてテストを行い、最大500 nsまでの変動するトリガ遅延を設定。
• ノイズ結合を最小限に抑えるために、VMEクレート内にPHとADCの別々のボードを設置。
• 100 mVから6 Vの入力範囲（1–700粒子/m²に対応）で、信号の線形性とノイズ性能を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プロトタイプアナログ電荷読み出しシステムは、ARGO-YBJ RPCのダイナミックレンジをデジタルストリップ読み出しの限界を超えて拡大できるか？
• RQ2 広い粒子密度ダイナミックレンジにわたって、電荷測定応答の線形性と安定性はどの程度か？
• RQ3 トリガ遅延ジッターがアナログシステムにおける粒子数カウントの正確性に与える影響は何か？
• RQ4 実際の検出器環境下でも、ノイズが小さくかつ信頼性の高い性能を維持できるか？
• RQ5 低粒子密度領域において、アナログシステムが既存のデジタル読み出しとどの程度良好にキャリブレーションおよびインターリケーション可能か？

主な発見

• プロトタイプ電荷計測回路は、100 mVから6 Vの入力範囲で優れた線形性を示し、600–700粒子/m²に対応する。1 m.i.p.あたりの平均信号は約6 mVである。
• システムは600–700粒子/m²のダイナミックレンジを達成しており、高エネルギーシャワーのためのデジタルストリップ読み出しの能力を著しく超える。
• ピークアンドホールド回路は、放電率が約6 mV/µsで安定した出力を維持しており、トリガジッターによる最大1粒子分の誤差を引き起こす。
• VME電源からの顕著なノイズは観測されず、クリアな信号取得が可能である。
• 100、300、500 nsの全テストトリガ遅延時間において、キャリブレーション曲線が線形に保たれていることから、タイミング変動に対して強い耐性を示す。
• 6 V未満の入力で飽和や非線形性は観測されず、高フラックスイベントに適したことを確認した。