フロントエンド回路プロトタイプの製作

に示す。基板表面にMPPC^を並列に 10個取り付けており、裏面のカソード側に電源ライ ン、アノード側に読み出し回路を搭載している。汎用性の面から、シンチレータとチェレン コフ検出器に用いるMPPC基板は共通にし、それぞれの厚みに応じた数だけMPPC^基板を 使用した。アノードとカソードそれぞれに同軸ケーブル（RG174/U）を取り付けており、フ ロントエンド回路の前置増幅器と動作電圧分配器にLEMOコネクタで接続して動作させる。

製作したMPPC基板は、光学グリスを用いてシンチレータ・UVアクリルに取り付けた。

有効受光面サイズ 3×3 mm² ピクセルピッチ 100µm

ピクセル数 900 典型的なダークカウント^*1 1000 kHz

時間分解能（半値幅） 300 ps 増幅率 2.8×10⁶

表4.1 S12572-100^{シリーズの仕様}[29]^。

図4.4 MPPC基板の回路図。高周波の信号 成分を取り出すためにC = 100 pF, R = 1 kΩ^{を用いた。}

図4.5 ^{表 面 実 装 型}MPPCを 取 り 付 け た 基 板。裏に読み出し回路とケーブルが接続され ている。

4.4 フロントエンド回路プロトタイプの製作

フロントエンド回路のプロトタイプとして前置増幅器と動作電圧分配器を開発・製作した。

*1閾値0.5ピクセルでの値

28 ^第4^章 プロトタイプ検出器の製作

4.4.1 ^{動作電圧分配器}

動作電圧分配器は複数のMPPC基板に動作電圧を供給する。図4.6^{に回路図を、図}4.7^に 製作した基板を示す。与えられた入力電圧を、後段の MPPC基板へ並列に出力する。各出 力チャンネル毎に過電流防止用の抵抗（10 kΩ）と、電源由来のノイズを低減するためのバイ パスコンデンサとしてセラミックコンデンサ（100 nF^{）を取り付けた。}

8&A#/2ၮ᧼

8&A#/2ၮ᧼

8&A#/2ၮ᧼

8QNVCIG&KXKFGT

C1 100nF C1 100nF

C3 100nF C3 100nF

R5

10k R5

10k R4

10k R4

10k R2

10k R2

10k

R3

10k R3

10k OUT1

EPL.00.250.NTN OUT1

EPL.00.250.NTN 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5

R1

10k R1

10k

OUT5

EPL.00.250.NTN OUT5

EPL.00.250.NTN 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5

IN1

EPL.00.250.NTN IN1

EPL.00.250.NTN 1 1

2 2 3 3 4 4 5 5

OUT4

EPL.00.250.NTN OUT4

EPL.00.250.NTN 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 OUT2

EPL.00.250.NTN OUT2

EPL.00.250.NTN 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5

C5 100nF C5 100nF C2 100nF C2 100nF

OUT3

EPL.00.250.NTN OUT3

EPL.00.250.NTN 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5

C4 100nF C4 100nF

図4.6 動作電圧分配器の回路図。IN1への入力電圧を並列に分けてOUT^{に出力する。}

R, Cはそれぞれ過電流防止の抵抗と電源ノイズの低減のコンデンサである。

4.4.2 ^{前置増幅器}

前置増幅器はチェレンコフ検出器の信号を増幅する。図4.8^{に回路図を、図}4.9^に製作し た基板を示す。MPPC基板からの信号を並列に入力し、増幅した信号を後段へ出力する。増 幅回路として、オペアンプ（Texas Instruments OPA657N/250[31]）を使用した非反転増幅 回路を2^{段使用している。}1^{段当たりの増幅率}G_{AM P} ^は、図4.8^中の値R12, R13, R14, R15

を用いて

G_{AM P} = R12

R13

= R14

R15

= 360

51 = 7.1 (4.1)

と表せるため、2^{段での増幅率は}∼50^となる。

高周波のノイズが確認されたので、ローパスフィルタを最後段に配置した。ローパスフィ

4.4 フロントエンド回路プロトタイプの製作 29

40 mm

45 mm

図4.7 動作電圧分配器の基板。入出力には実用性を考慮してLEMO^{コネクタを採用した。}

ルタに用いるC11^{については、図}4.10の試作ボードを用いて最適化を行った。信号として 25^℃でのMPPCのダークシグナルを入力し、20 mVを越えたイベントについてC11^を変 化させてデータを取得した。得られた平均波形を図4.11に示す。波形が鈍り始めた1000 pF までの範囲でC11を変化させた。波形の電荷を信号、ベースラインの電荷の標準偏差をノイ ズと定義したときのS/N^比を図4.12^に示す。C11^{に比例して}S/N比が向上することが分か る。この結果より、最もS/N^{比が大きい}C11=1000 pF^{に決定した。}

30 ^第4^章 プロトタイプ検出器の製作

8&A#/2ၮ᧼

8&A#/2ၮ᧼

8&A#/2ၮ᧼

Ⴧ᏷ེㇱಽ

ᧂታⵝ

R12 360 R12 360

R16 51 R16 51

U2 OPA657N

U2 OPA657N

1

2

3 4

5

VIN4

EPL.00.250.NTN VIN4

EPL.00.250.NTN 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5

R15 51 R15 51

VIN2

EPL.00.250.NTN VIN2

EPL.00.250.NTN 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5

C19

100n C19

100n C11 1000pF C11 1000pF

C15 470u C15 470u

1 2

C14

100n C14

100n U1

OPA657NU1 OPA657N 1

2

3 4

5

C18

100n C18

100n

C13 470u C13 470u

1 2

VIN3

EPL.00.250.NTN VIN3

EPL.00.250.NTN 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5

R14 360 R14 360

CN1 S3B-PH-K-S CN1 S3B-PH-K-S

11 22 33

VOUT1

EPL.00.250.NTN VOUT1

EPL.00.250.NTN 1 1

2 2 3 3 4 4 5 5 R13

51 R13 51

VIN1

EPL.00.250.NTN VIN1

EPL.00.250.NTN 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5

C17

100n C17

100n C16 C16

R11 51 R11 51

図4.8 ^{前置増幅器の回路図。}2段の非反転増幅回路とローパスフィルタで構成する。オ ペアンプの動作電圧は外部から±5 Vを供給する。ローパスフィルタのC11^{は後述する} 最適化を経て決定した。

40 mm

45 mm

図4.9 前置増幅器の基板。信号の入出力に はLEMOコネクタを、オペアンプの電源に は3^{ピンコネクタ}S3B-PH-K-S (LF) (SN) を採用した。

図4.10 C11の 最 適 化 で 使 用 し た 評 価 ボ ー ド。左側のケーブルから信号を入力し、右の ケーブルから増幅した信号を出力する。出力 ケーブルの直前にC11^{を取り付け、値を変え} ながら波形を取得した。

4.4 フロントエンド回路プロトタイプの製作 31

図4.11 C11を変えたときの波形。波形が鈍り始めたため、C11^は1000 pFまでの範囲で比較した。

Capacitance [pF]

0 200 400 600 800 1000

S/N

0 2 4 6 8 10 12 14

図4.12 C11^を75 pF^から1000 pF^{まで変えたときの}S/N^比。C11^{に比例して}S/N^が 向上している。

32

第 5 ^章

東北大学電子光理学研究センターに おけるテスト実験

トリガー検出器の性能評価を行うため、東北大学電子光理学研究センターGeV γ ^照射室に てビームテストを実施した。この章では利用した実験施設とセットアップを取り扱う。

ドキュメント内 学位論文 Experimental Particle Physicsyushu University (ページ 37-42)