J- PARC
3.2 検出器シミュレーション
3.2.1 テンプレート波形の作成
3.2節の項目5. でアノードの信号を再現するテンプレート波形は、これまで55Fe X線源イ ベントの中からランダムに選ばれた1つの波形を利用していた(図3.7[左])。しかし、同じイ ベントを使い続けることで系統的な偏りが発生する恐れや、イベントに含まれるノイズが信号 増幅と共に拡大され偽の信号を生んでしまうなどの問題が存在した(図3.8)。そこで、55Fe X 線源のイベントから得られる波形を平均化してテンプレート波形を作成した(図3.7[右])。波 形の立ち上がり時刻が異なるイベントを平均化すると、波形が鈍り同じ積分値に対する波高が 減少してしまう。これを避けるため、波形の立ち上がり時間を統一して平均化を行うことで、
積分値と波高を両方満たすテンプレート波形を作成した。
µs]
Time [0.1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
103
×
ADC [ch]
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
103
×
Anode Template Waveform (single event)
µs]
Time [0.1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
103
×
ADC [ch]
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
103
×
Anode Template Waveform (average)
図3.7 アノードテンプレート波形：[左]55Fe X線源のランダムに選ばれた1イベントの波 形。[右]55Fe X線源のイベントを平均化したテンプレート波形。
µs]
Time [0.1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
103
×
ADC [ch]
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Anode Template Waveform (single event)
µs]
Time [0.1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
103
×
ADC [ch]
−10
−8
−6
−4
−2 0 2 4 6 8 10
Anode Template Waveform (average)
図3.8 アノードテンプレート波形のノイズ：図3.7の拡大図[左]大きなノイズが確認で きる(RMS = 0.794) ペデスタルは20ch程になっている。[右]ノイズが抑えられている (RMS = 0.113) ペデスタルは0chに合わせている。
3.2 検出器シミュレーション 49
3.2.2 アノード・カソードのゲインキャリブレーション
TPCガスは、真空容器壁面からの水などのアウトガスによって時間経過と共に劣化しドリ フト電子を吸収してしまう (図3.9)。シミュレーションのエネルギーキャリブレーションは、
1つのFill中でも経過時間に従って変化するので経過時間の中央のデータを取り出して行っ た。本研究以前は、55Fe X線源でキャリブレーションを行ったTPCシミュレーションの宇 宙線のエネルギー損失が実データに比べて10%程度大きいという問題が存在した。これは、β 崩壊のエネルギー損失も10%大きく見積もる事を意味するためシミュレーションを利用する にはこの問題の解決が不可欠であった。この原因が真空容器へガスを詰める際の温度を実際の 302 Kでなく標準温度(0◦C = 273.15 K)としておりガス密度の扱いに誤りであったことを特 定し修正を行ったところ、55Fe X線源(図3.10)と宇宙線(図3.12)のエネルギー損失を両方 再現する検出器応答が得られた。
Elapsed time [hour]
0 20 40 60 80 100 120 140
Fe X ray deposit energy [ch]55
11.5 12 12.5 13 13.5 14
103
×
TPC Gain Decrease (Attenuation Increase)
Fe Near
Fe Far 5.9 keV
TPC Gain Decrease (Attenuation Increase)
図3.9 ガスの劣化によるドリフト電子の減衰：水などのアウトガスによってドリフト電子 が吸収される。ドリフト距離が長いFe Farがより大きく減少している。ガスを詰めた直後 はHeとCO2が混ざりきっていないためゲインが安定しない。実験とシミュレーションの ゲインキャリブレーションは、経過時間中央のデータに対して行っている。実験データは Fe NearとFarの平均 TPCの中央が5.9 keVに相当するとして補正する。
Anode Sum [ch]
0 5 10 15 20 25 30
103
×
Count
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
103
×
Fe55 Xray Energy Calibration NEAR Fill I Fe55 Xray Energy Calibration NEAR Fill I
Anode Sum [ch]
0 5 10 15 20 25 30
103
×
Count
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
103
×
Fe55 Xray Energy Calibration FAR Fill I Fe55 Xray Energy Calibration FAR Fill I
Cathode High Gain Sum [ch]
0 5 10 15 20 25 30
103
×
Count
0 1 2 3 4 5 103
×
Fe55 Xray Energy Calibration NEAR Fill I Fe55 Xray Energy Calibration NEAR Fill I
Cathode High Gain Sum [ch]
0 5 10 15 20 25 30
103
×
Count
0 1 2 3 4 5 103
×
Fe55 Xray Energy Calibration FAR Fill I Fe55 Xray Energy Calibration FAR Fill I
図3.10 55 Fe X線源によるゲインキャリブレーション：[左]アノード/ [右]カソードワイ ヤーの実験データ(エラーバー付き点)とシミュレーション(塗りつぶし)の比較。[上]Near / [下]Far の比較から「減衰」「拡散」「エネルギー分解能」を調整した。
3.2 検出器シミュレーション 51
Range [mm]
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Anode wire energy deposit sum [ch]
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
106
×
1 10 102
103 / ndf
χ2 14.93 / 24
Prob 0.9228
p0 0 ± 0 p1 155.1 ± 1.103
/ ndf
χ2 14.93 / 24
Prob 0.9228
p0 0 ± 0 p1 155.1 ± 1.103 Experiment (Cosmic Ray)
Range [mm]
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Anode wire energy deposit sum [ch]
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
106
×
1 10 102 / ndf
χ2 19.19 / 24
Prob 0.7419
p0 0 ± 0 p1 178.2 ± 1.502
/ ndf
χ2 19.19 / 24
Prob 0.7419
p0 0 ± 0 p1 178.2 ± 1.502 Monte Carlo (Cosmic Ray)
Range [mm]
0 100 200 300 400 500
Anode wire energy deposit sum [ch]
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
106
×
/ ndf
χ2 14.93 / 24
Prob 0.9228
p0 0 ± 0 p1 155.1 ± 1.103
/ ndf
χ2 14.93 / 24
Prob 0.9228
p0 0 ± 0 p1 155.1 ± 1.103
/ ndf
χ2 19.19 / 24
Prob 0.7419
p0 0 ± 0 p1 178.2 ± 1.502
/ ndf
χ2 19.19 / 24
Prob 0.7419
p0 0 ± 0 p1 178.2 ± 1.502 Most Probable Value (Landau Fit) 0.870
Anode wire energy deposit sum [ch]
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 106
× 102
103
104
Monte Carlo (Cosmic Ray)
図3.11 宇宙線の飛程とエネルギー損失 (温度修正前)：横軸はTPC 中での粒子の飛程 (4.2.2節参照) 縦軸はエネルギー損失(4.2.3節参照)。[左上]実験データ。[右上]シミュ レーション。[左下]実験データとシミュレーションの比較。[右下]エネルギー損失の比較。
Range [mm]
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Anode wire energy deposit sum [ch]
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
106
×
1 10 102
103 / ndf
χ2 14.93 / 24
Prob 0.9228
p0 0 ± 0 p1 155.1 ± 1.103
/ ndf
χ2 14.93 / 24
Prob 0.9228
p0 0 ± 0 p1 155.1 ± 1.103 Experiment (Cosmic Ray)
Range [mm]
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Anode wire energy deposit sum [ch]
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
106
×
1 10 102 / ndf
χ2 9.425 / 24
Prob 0.9965
p0 0 ± 0 p1 157.9 ± 1.327
/ ndf
χ2 9.425 / 24
Prob 0.9965
p0 0 ± 0 p1 157.9 ± 1.327 Monte Carlo (Cosmic Ray)
Range [mm]
0 100 200 300 400 500
Anode wire energy deposit sum [ch]
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
106
×
/ ndf
χ2 14.93 / 24
Prob 0.9228
p0 0 ± 0 p1 155.1 ± 1.103
/ ndf
χ2 14.93 / 24
Prob 0.9228
p0 0 ± 0 p1 155.1 ± 1.103
/ ndf
χ2 9.425 / 24
Prob 0.9965
p0 0 ± 0 p1 157.9 ± 1.327
/ ndf
χ2 9.425 / 24
Prob 0.9965
p0 0 ± 0 p1 157.9 ± 1.327 Most Probable Value (Landau Fit) 0.982
Anode wire energy deposit sum [ch]
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 106
× 102
103
104
Monte Carlo (Cosmic Ray)
図3.12 宇宙線の飛程とエネルギー損失(温度修正後)：鉄線源によってキャリブレーショ ンされたTPCの応答は、宇宙線のエネルギー損失を概ね再現している。