液体キセノングループ報告

KEKDTP重点レビュー、2014年8月19日、KEK 田内利明（7/15時点）

前回（2013年12月2日)以降

KEK : 冷凍・純化システム、PMT、エンドプレート 　田内利明、真木晶弘、田中秀治、三原智、佐伯学行 　笠見勝裕(冷凍システム構築)、鈴木祥仁（モニター:Labview) 佐賀大：TPC 　杉山 晃 東大：DAQ、TPCテスト 　森俊則 放医研： PETとしての性能仕様とシミュレーション 　熊田雅之、富谷武浩、寅松千枝 横浜国大 : 液体キセノン基本特性、APD、ASICチップ 　中村正吾、 濱西 亮（M2)、 ( 岩崎 裕也 (M2) ) !

協力支援：田中真伸氏(KEK素核研回路室)、池田博一氏(JAXA )

レビュワー : 海野義信（KEK)、 柴村英道（埼玉県立大)

2013 - 2014年度12/19 - 3/31 : キセノンガス予冷装置（真空断熱器付）の設計と製作 6/13 : 修理後の予冷装置のKEKでの試験, 会社での試験結果を確認 1/24-3/26 Vincent Tran (Ecole de Mines de Nantesの大学院生 M1) インターンシップ : 液体キセノン中でのWindowless-APD特性の研究 1/28 液化開始 : TPCFE09/LTCCボードによる電荷測定を試みるが失敗 1/4 - 2/11 : TPCFE09/LTCCボードのフロントエンドエレクトロニクスのLTSpiceによるsimulation研究 12/11-3/19 Anode-PADs, TPCFE09, バッファーアンプの三つのボードからなる新しいフロントエンドエレクトロニクスシステムの設計・製作 3/27 - 6/3 : Windowless-APDの液体キセノン中での再測定 4/7 : キセノン液面の再測定 ( PTR ON/OFF ) 6/15 - 6/26 : Windowless-APDのワイヤボンディングの修正@ハマホト 6/26 - 7/11 : Windowless-APDの液体キセノン中でのγ線スペクトラムの測定 1月~ : XEMIS2 のGATE/GEANT4によるシミュレーション研究

Xe cylinder

SAES Getter Monotorr <5L/min

P3

P2

P1

m

TPC

PTR (24W@165K)

Heat exchanger

P4

V13

V14

V15

V10

V12

V3 V4

V11 needle

V8

V9 V6 V5

V7

V1 V2

V21 V22

V20

V17

V16

V18

V19

V23

V24

SV

PT4

PT1

PT2

PT3

Tch

Heater

T1

T2

T3

Purification

回収ボトル

(3.75L)

ガス精製

ゲッター

750L キセノン ガスタンク

キセノン低温容器

ガス循環ポンプ（２０L/min)

安全弁 （0.2MPa)

GXe 99.999%

オイルフリー・ダイアフラムポンプ（エノモト）によるガス循環精製

高純度Xeガス

液化・純化システム

102mmφx 490mm (old), 1.5L, H 18.36cm 148mmφx426mm (new, since 2010), 2.6L, H 15cm

逆止弁

since June 2008

Lt1

Lt2

Lt3

Lt4

Liquid level gauge (15cm)

Lt5ch1

γ-source 137Cs,7.34KBq

α-source:α2 241Am,200Bq

Front-end electronics

α-source:α1 241Am,200Bq

Pt100

0"

1000"

2000"

3000"

4000"

5000"

6000"

7000"

8000"

9000"

10000"

08.23" 09.12" 10.02" 10.22" 11.11" 12.01" 12.21" 01.10" 01.30" 02.19" 03.11" 03.31"

Growth of charge signals (α2)

date from Aug.23 to Mar.31, 2012

total cha

rge from

α2

12.10 - 1.19

10.1 - 1.20

CH-warm up/day

2012.7.4

α source (241Am,200Bq) on a wire at 1cm from the anode

α-source 241Am,200Bq

PMT1 (up) : R5900; DY1 - 12 20.7uA at +900V(max) Q.E.=20%@175nm

(2003.11.28)

PMT2 (down) : R7600; DY1 - 10 23.9uA at +900V(max) Q.E.=30%@175nm

(2009.06.15)

TPC prototype 5cm drift, mesh grid with1mm gap 4x4 pads readout, 7.5x7.5mm/pad

液面再確認

166#

166.5#

167#

167.5#

168#

168.5#

169#

169.5#

170#

13:55 14:24 14:52 15:21 15:50 16:19 16:48 17:16 17:45 18:14 18:43

Lt,1(K)#

Lt,2(K)#

Lt,3(K)#

139$

141$

143$

145$

147$

149$

151$

13:55 14:24 14:52 15:21 15:50 16:19 16:48 17:16 17:45 18:14 18:43

Level,1(mm)$

139$

159$

179$

199$

219$

239$

259$

13:55 14:24 14:52 15:21 15:50 16:19 16:48 17:16 17:45 18:14 18:43

TI*1(K)$

0"

0.2"

0.4"

0.6"

0.8"

1"

1.2"

1.4"

1.6"

1.8"

2"

13:55 14:24 14:52 15:21 15:50 16:19 16:48 17:16 17:45 18:14 18:43

Ft+1(sL/min)"

0"

0.01"

0.02"

0.03"

0.04"

0.05"

0.06"

13:55 14:24 14:52 15:21 15:50 16:19 16:48 17:16 17:45 18:14 18:43

Pt,1(MPa)"

!5#

0#

5#

10#

15#

20#

25#

30#

35#

13:55 14:24 14:52 15:21 15:50 16:19 16:48 17:16 17:45 18:14 18:43

Pwr!1(W)#

Temperature (K) in Liq.Xe

Liq.Xe level (mm)

Temperature (K) at PTR cold head

Flow rate of Xe gas (L/min)

Pressure in the chamber (Pa)

Heater power at PTR cold head (W)

!4#

!3#

!2#

!1#

0#

1#

2#

3#

4#

13:55 14:24 14:52 15:21 15:50 16:19 16:48 17:16 17:45 18:14 18:43

PT!Ref.(V)#

PT-Ref.(V)

PTR OFF-3PTR OFF-1 PTR OFF-2

PTR OFF/ON → 液面下降/上昇 液面計（Liquid Level Sensor, capacitance-based level sensing) : 直径0.5”, 150mm長、SUSの二重管，底面より12mmの側面に穴が開いているが、底面は開放されている

← over scale

PTR OFF in three times for the test

heater up

ASIC・TPCFE09

フロントエンド・エレクトニクス

Multilayer Ceramic ( AMK324ABJ337MM, 330uF x 2, ESR=0.002Ω) at each ±1.25V , i.e. 6 points in total

2013.10.18

ASICチップ（TPCFE09)による読みだし

IBIAS=56uA (12.4kΩ)

LTspice model

Vref=-250mV(1kΩ)

5

5

4

4

3

3

2

2

1

1

D D

C C

B B

A A

SW_500NSE_1UG_PRE

MO_IN

CLKIN

TPC-FE 16CH

入力コネクタCN1− TPCFE間は最短距離配線

CN1（内層に配線し、GND面ではさむ）

U9(TPCFE)は基板裏面に配置

Thru-hole (D=1.0mm)

Thru-hole (D=1.0mm)

TEST IN

Thru-hole (D=1.2mm) Murata_GRM43DR72J104KW01L

SEI HVCB2010FKC1M00TDK_C4532X7R2J104K

(+400V)

1M Ohm 1W 1% 50ppmMaximum Working Voltage=1700V

+ HV

(from Power Supply) (to Detector)

S2_

SE

L

S1_

SE

L

AM

P_S

EL

VL1

VL2

VL3

VL4

VL5

VL6

VL7

VL8

SDO

UT

CLK

OU

T

XIN[15:0]

AOUTP6AOUTM7

AOUTP4

AOUTM[15:0]

AOUTP7

AOUTP[15:0]

AOUTP11AOUTM12

AOUTP12

AOUTM5

AOUTM13

AOUTP3

AOUTP13AOUTM14

AOUTM3

AOUTP14

AOUTP5

AOUTM4

AOUTM6

AOUTP8AOUTM8

AOUTP9AOUTM9

AOUTP10AOUTM10

AOUTM11

AOUTP15AOUTM15

AOUTM0AOUTP0

AOUTM1AOUTP1

AOUTM2AOUTP2

SIG0

SIG1

SIG2

SIG3

SIG4

SIG5

SIG6

SIG7

SIG8

SIG9

SIG10

SIG11

SIG12

SIG13

SIG14

SIG15

XIN0

XIN1

XIN2

XIN3

XIN4

XIN5

XIN6

XIN7

XIN8

XIN9

XIN10

XIN11

XIN12

XIN13

XIN14

XIN15

XIN2

XIN3

XIN4

XIN5

XIN6

XIN7

XIN8

XIN9

XIN10

XIN11

XIN12

XIN13

XIN14

XIN15

XIN0

XIN1

SIG15

SIG7

SIG8

SIG9

SIG2

SIG10

SIG11

SIG3

SIG12

SIG4

SIG13

SIG5

SIG14

SIG6

SIG1

SIG0

XIN[15:0]

AOUTM[15:0]

AOUTP[15:0]

+1V25

-1V25

-1V25

+1V25

-1V25

+1V25

+1V25 +1V25 +1V25

-1V25-1V25-1V25

-1V25

+1V25

+1V25

-1V25

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> <RevCode>

TPC-FE

A2

5 5Friday, October 05, 2012

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> <RevCode>

TPC-FE

A2

5 5Friday, October 05, 2012

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> <RevCode>

TPC-FE

A2

5 5Friday, October 05, 2012

CN41(2PIN JUMPER)

CN41(2PIN JUMPER)

S1

G2

T7

TESTPIN

T7

TESTPIN

1

C102

100U

/322

5

C102

100U

/322

5

C131

501R15W102KV4E/2125

C131

501R15W102KV4E/2125

C120

1p/1608

C120

1p/1608

C99

10U

/160

8

C99

10U

/160

8

D3(DA3S101F0L)

D3(DA3S101F0L)

1

3

2

C130

501R15W102KV4E/2125

C130

501R15W102KV4E/2125

C93

0.1U/1608

C93

0.1U/1608

R1512K/1608R1512K/1608

R142 0R142 0

TPC-FE

U9

TPC-FE

U9

XIN<0>97

GND98

XIN<1>99

GND100

XIN<2>101

GND102

XIN<3>103

GND104

XIN<4>105

GND106

XIN<5>107

GND108

XIN<6>109

GND110

XIN<7>111

GND112

GND113

XIN<8>114

GND115

XIN<9>116

GND117

XIN<10>118

GND119

XIN<11>120

GND121

XIN<12>122

GND123

XIN<13>124

GND125

XIN<14>126

GND127

XIN<15>128

AOUTP1533AOUTM1534AOUTP1435AOUTM1436AOUTP1337AOUTM1338AOUTP1239AOUTM1240AOUTP1141AOUTM1142AOUTP1043AOUTM1044AOUTP945AOUTM946AOUTP847AOUTM848AOUTP749AOUTM750AOUTP651AOUTM652AOUTP553AOUTM554AOUTP455AOUTM456AOUTP357AOUTM358AOUTP259AOUTM260AOUTP161AOUTM162AOUTP063AOUTM064

VS

SD

65V

SS

D66

GN

DD

67G

ND

D68

VD

DD

69V

DD

D70

GN

DD

71C

LKIN

72M

O_I

N73

GN

DD

74G

ND

D76

SW

_500

N77

SE

_1U

78G

_PR

E79

GN

DD

80

GN

D83

S2_

SE

L_O

UT

84G

ND

85S

1_S

EL_

OU

T86

GN

D87

AM

P_S

EL_

OU

T88

GN

D89

VD

D91

VD

D92

GN

D93

GN

D94

VS

S95

VS

S96

VS

S1

VS

S2

GN

D3

GN

D4

VD

D5

VD

D6

GN

D7

IBIA

S8

GN

D9

GN

D12

VL1

13

VH

214

VH

315

VL4

16

VH

517

VH

618

VH

719

VH

820

VR

EF

21

GN

D22

GN

DD

23

SD

OU

T24

CLK

OU

T25

GN

DD

26

VD

DD

27

VD

DD

28

GN

DD

29

GN

DD

30

VS

SD

31

VS

SD

32

NC

10

NC

11

NC

75

NC

81N

C82

NC

90

R1472.4K/1608R1472.4K/1608

C90

0.1U/1608

C90

0.1U/1608

T15

TESTPIN

T15

TESTPIN

1

C136

501R15W102KV4E/2125

C136

501R15W102KV4E/2125

T16

TESTPIN

T16

TESTPIN

1

C97

0.1U/1608

C97

0.1U/1608

D6(DA3S101F0L)

D6(DA3S101F0L)

1

3

2

R157

HMC0805JT500M/2125

R157

HMC0805JT500M/2125

D7(DA3S101F0L)

D7(DA3S101F0L)

13

2

D16(DA3S101F0L)

D16(DA3S101F0L)

1

3

2

JP1

HEADER 2X2

JP1

HEADER 2X2

1234

R139 0R139 0

C129

501R15W102KV4E/2125

C129

501R15W102KV4E/2125

R164

HMC0805JT500M/2125

R164

HMC0805JT500M/2125

R150

2K/1608

R150

2K/1608

R165

HMC0805JT500M/2125

R165

HMC0805JT500M/2125

C88

0.1U/1608

C88

0.1U/1608

R132 0R132 0

C137

501R15W102KV4E/2125

C137

501R15W102KV4E/2125

T17

TESTPIN

T17

TESTPIN

1

D4(DA3S101F0L)

D4(DA3S101F0L)

1

3

2

R141 0R141 0

T12

TESTPINT1

2TESTPIN

1

C106

1p/1608

C106

1p/1608

D11(DA3S101F0L)

D11(DA3S101F0L)

1

3

2

R163

HMC0805JT500M/2125

R163

HMC0805JT500M/2125

C111

1p/1608

C111

1p/1608

C104

100U

/322

5

C104

100U

/322

5

T1HOLE_1.2T1HOLE_1.2

1

C135

501R15W102KV4E/2125

C135

501R15W102KV4E/2125

C110

1p/1608

C110

1p/1608

D12(DA3S101F0L)

D12(DA3S101F0L)

1

3

2

C113

1p/1608

C113

1p/1608

R1483.9K/1608

R1483.9K/1608

R153 2K/1608R153 2K/1608

C100

10U

/160

8

C100

10U

/160

8

C109

1p/1608

C109

1p/1608

D10(DA3S101F0L)

D10(DA3S101F0L)

1

3

2

C103

100U

/322

5

C103

100U

/322

5

R170

HMC0805JT500M/2125

R170

HMC0805JT500M/2125

R169

HMC0805JT500M/2125

R169

HMC0805JT500M/2125

C141

501R15W102KV4E/2125

C141

501R15W102KV4E/2125

C112

1p/1608

C112

1p/1608

C101

10U

/160

8

C101

10U

/160

8

T11

TESTPINT1

1TESTPIN

1

T14

TESTPIN

T14

TESTPIN

1

C105

100U

/322

5

C105

100U

/322

5

C122

0.1U/1608

C122

0.1U/1608

D15(DA3S101F0L)

D15(DA3S101F0L)

1

3

2

C108

1p/1608

C108

1p/1608

SW2JSW3SW2JSW3

3

2

1

C142

501R15W102KV4E/2125

C142

501R15W102KV4E/2125

C139

501R15W102KV4E/2125

C139

501R15W102KV4E/2125

C115

1p/1608

C115

1p/1608

SW1JSW3SW1JSW3

3

2

1

R154

51

R154

51

T13

TESTPINT1

3TESTPIN

1

R136 0R136 0

C107

1p/1608

C107

1p/1608

T4HOLE_1.2

T4HOLE_1.2

1

R137 0R137 0

R156

HMC0805JT500M/2125

R156

HMC0805JT500M/2125

C114

1p/1608

C114

1p/1608

R135 0R135 0

C127

501R15W102KV4E/2125

C127

501R15W102KV4E/2125

D1(DA3S101F0L)

D1(DA3S101F0L)

1

3

2

R161

HMC0805JT500M/2125

R161

HMC0805JT500M/2125

T9

TESTPIN

T9

TESTPIN

1

R134 0R134 0

C133

501R15W102KV4E/2125

C133

501R15W102KV4E/2125

D2(DA3S101F0L)

D2(DA3S101F0L)

1

3

2

C95

0.1U/1608

C95

0.1U/1608

R131 0R131 0

C128

501R15W102KV4E/2125

C128

501R15W102KV4E/2125

C117

1p/1608

C117

1p/1608

D8(DA3S101F0L)

D8(DA3S101F0L)

1

3

2

R1491K/1608R1491K/1608

T6

TESTPIN

T6

TESTPIN

1

R155

HMC0805JT500M/2125

R155

HMC0805JT500M/2125

D5(DA3S101F0L)

D5(DA3S101F0L)

1

3

2

R167

HMC0805JT500M/2125

R167

HMC0805JT500M/2125

R129

1M/500V/5125

R129

1M/500V/5125

R140 0R140 0

SW3JSW3SW3JSW3

3

2

1

C116

1p/1608

C116

1p/1608

C870.1u/630V/X7R/4532

C870.1u/630V/X7R/4532

C92

0.1U/1608

C92

0.1U/1608

T5

TESTPIN

T5

TESTPIN

1

D9(DA3S101F0L)

D9(DA3S101F0L)

1

3

2

T8

TESTPIN

T8

TESTPIN

1

R168

HMC0805JT500M/2125

R168

HMC0805JT500M/2125

C94

0.1U/1608

C94

0.1U/1608

C96

0.1U/1608

C96

0.1U/1608

R162

HMC0805JT500M/2125

R162

HMC0805JT500M/2125

D13(DA3S101F0L)

D13(DA3S101F0L)

1

3

2

CN37(2PIN JUMPER)CN37(2PIN JUMPER)

1

2

R160

HMC0805JT500M/2125

R160

HMC0805JT500M/2125

R144 0R144 0

C119

1p/1608

C119

1p/1608

R145 0R145 0

R166

HMC0805JT500M/2125

R166

HMC0805JT500M/2125

D14(DA3S101F0L)

D14(DA3S101F0L)

1

3

2

C138

501R15W102KV4E/2125

C138

501R15W102KV4E/2125

C140

501R15W102KV4E/2125

C140

501R15W102KV4E/2125

C91

0.1U/1608

C91

0.1U/1608T1

0

TESTPIN

T10

TESTPIN

1

C134

501R15W102KV4E/2125

C134

501R15W102KV4E/2125

R133 0R133 0

C132

501R15W102KV4E/2125

C132

501R15W102KV4E/2125

T2HOLE_1.2T2HOLE_1.2

1

VR1CT-6W_20K

VR1CT-6W_20K

13

2

C118

1p/1608

C118

1p/1608

R152 2K/1608R152 2K/1608

R159

HMC0805JT500M/2125

R159

HMC0805JT500M/2125

C121

1p/1608

C121

1p/1608

R146 0R146 0

R143 0R143 0

C98

10U

/160

8

C98

10U

/160

8

R158

HMC0805JT500M/2125

R158

HMC0805JT500M/2125

R138 0R138 0

IBIAS=56uA (12.4kΩ) at VR1=10kΩ

Vref=-250mV(1kΩ)

IBIAS and Vref on the circuit board

IBIAS=56uA (12.4kΩ)

IBIAS=50.4uA (14.9kΩ)

Vref=-250mV(1kΩ)Vref=-150mV(0.5kΩ)

IBIAS and Vref“Noise source” LG (CG) and RG at the ground line

0"

20"

40"

60"

80"

100"

120"

0" 10" 20" 30" 40" 50"

IBIAS uA

Resistance (R1+R2) kΩ

Adjustment of IBAS current

● : Vref=150mV × : Vref=250mV

IBIAS uA IBIAS uA

Relativ

e Ga

in

Relativ

e Ga

in

Vref : 250mV Vref : 150mV

R13=1kΩ R13=0.5kΩ

× is ● at Vref=250mV.● : 1ch,LG=0.02nH, RG=0.00012Ω △：16ch,LG=0.02nH,RG=0.00012Ω × : 16ch,LG=2nH,RG=0.002Ω ◆ : 16ch,LG=2nH,RG=0.012Ω ◇ : 16ch,LG=2nH,RG=0.012Ω, Bypass-cap.=660uF

0.200$

0.400$

0.600$

0.800$

1.000$

1.200$

1.400$

1.600$

1.800$

20$ 30$ 40$ 50$ 60$ 70$ 80$ 90$ 100$

Bypass-Capacitor (Ceramic) =100uF

0.200$

0.400$

0.600$

0.800$

1.000$

1.200$

1.400$

1.600$

1.800$

20$ 30$ 40$ 50$ 60$ 70$ 80$ 90$ 100$

0µs 40µs 80µs 120µs 160µs 200µsVm7.942-

Vm0.942-

Vm4.842-

Aµ6588.65-

Aµ2188.65-

Aµ8678.65-Vm006-

Vm004-

Vm002-

Vm0

Vm002

Vm004

Vm006

Am2.62

Am3.72

Am4.82

V(vref) I(R1)

V(out0) I(Vss1) -I(Vdd1)

0µs 40µs 80µs 120µs 160µs 200µsVm9.942-

Vm3.942-

Vm7.842-

Vm1.842-

Vm5.742-

Vm9.642-

Aµ2388.65-

Aµ8878.65-

Aµ4478.65-Vm006-

Vm004-

Vm002-

Vm0

Vm002

Vm004

Vm006

Am1.62

Am8.72

Am4.92

V(vref) I(R1)

V(out0) I(Vss1) -I(Vdd1)

0µs 40µs 80µs 120µs 160µs 200µsVm6.942-Vm4.942-Vm2.942-Vm0.942-Vm8.842-Vm6.842-Vm4.842-Vm2.842-Vm0.842-

Aµ888.65-

Aµ668.65-

Aµ448.65-Vm007-Vm005-Vm003-Vm001-Vm001Vm003Vm005Vm007

Am1.62

Am8.72

Am4.92

V(vref) I(R1)

V(out0) I(Vss1) -I(Vdd1)

LG=2nH, RG=0.002Ω

Solid Tantalum 660uF Ceramic 100uF

Ceramic 660uF

Effect of Kinds of Bypass-Capacitors (1)

IBIAS = 56.9uA IBIAS = 56.9uA

IBIAS = 56.9uA

Vref =250mV

0µs 40µs 80µs 120µs 160µs 200µsVm8.052-

Vm6.942-

Vm4.842-

Vm2.742-

Vm0.642-

Vm8.442-

Aµ09.65-

Aµ77.65-

Aµ46.65-Vm008-Vm006-Vm004-Vm002-Vm0Vm002Vm004Vm006Vm008

Am52

Am13

Am63

V(vref) I(R1)

V(out0) I(Vss1) -I(Vdd1)

0µs 40µs 80µs 120µs 160µs 200µsVm0.252-

Vm6.052-

Vm2.942-

Vm8.742-

Vm4.642-

Vm0.542-

Aµ688.65-

Aµ088.65-

Aµ478.65-

Aµ868.65-

Aµ268.65-

Aµ658.65-

Aµ058.65-Vm008-Vm006-Vm004-Vm002-Vm0Vm002Vm004Vm006Vm008

Am5.52

Am2.82

Am0.13

V(vref) I(R1)

V(out0) I(Vss1) -I(Vdd1)

0µs 40µs 80µs 120µs 160µs 200µsVm5.052-

Vm9.942-

Vm3.942-

Vm7.842-

Vm1.842-

Vm5.742-

Aµ688.65-Aµ488.65-Aµ288.65-Aµ088.65-Aµ878.65-Aµ678.65-Aµ478.65-Aµ278.65-

Vm007-Vm005-Vm003-Vm001-Vm001Vm003Vm005Vm007

Am8.52

Am4.62

Am0.72

Am6.72

Am2.82

Am8.82

V(vref) I(R1)

V(out0) I(Vss1) -I(Vdd1)

0µs 40µs 80µs 120µs 160µs 200µsVm4.052-

Vm0.052-

Vm6.942-

Vm2.942-

Vm8.842-

Vm4.842-

Aµ728.93-

Aµ128.93-

Aµ418.93-Vm063-

Vm042-

Vm021-

Vm0

Vm021

Vm042

Vm063

Am9.42Am2.52Am5.52Am8.52Am1.62Am4.62Am7.62Am0.72Am3.72

V(vref) I(R1)

V(out0) I(Vss1) -I(Vdd1)

Vref =250mV LG=2nH, RG=0.01Ω

Solid Tantalum 660uF Ceramic 100uF

Ceramic 660uF

IBIAS = 56.9uA IBIAS = 56.9uA

IBIAS = 56.9uA Ceramic 100uF IBIAS = 39.8uA

Effect of Kinds of Bypass-Capacitors (2)

16ch terminated :12ch terminated :

4ch terminated : 8ch terminated :

Solid Tantalum 660uF: IBIAS=56uA, Vref=-250mV

0µs 40µs 80µs 120µs 160µs 200µsVm5.052-

Vm5.942-

Vm5.842-

Vm5.742-

Vm5.642-

Vm5.542-

Vm5.442-

Aµ988.65-

Aµ578.65-

Aµ168.65-

Aµ748.65-

Aµ338.65-

Aµ918.65-

Aµ508.65-Vm008-Vm006-Vm004-Vm002-Vm0Vm002Vm004Vm006

Am2.52

Am1.92

Am9.23

V(vref) I(R1)

V(out0) I(Vss1) -I(Vdd1)

0µs 40µs 80µs 120µs 160µs 200µsVm2.152-

Vm0.942-

Vm8.642-

Aµ488.65-

Aµ088.65-

Aµ678.65-

Aµ278.65-

Aµ868.65-

Aµ468.65-Vm007-Vm005-Vm003-Vm001-Vm001Vm003Vm005Vm007

Am6.52

Am8.72

Am0.03

V(vref) I(R1)

V(out0) I(Vss1) -I(Vdd1)

0µs 40µs 80µs 120µs 160µs 200µsVm2.052-

Vm1.942-

Vm0.842-

Aµ4388.65-

Aµ6978.65-

Aµ7578.65-Vm006-

Vm004-

Vm002-

Vm0

Vm002

Vm004

Vm006

Am1.62Am4.62Am7.62Am0.72Am3.72Am6.72Am9.72Am2.82Am5.82

V(vref) I(R1)

V(out0) I(Vss1) -I(Vdd1)

0µs 40µs 80µs 120µs 160µs 200µsVm6.942-

Vm0.942-

Vm5.842-

Aµ6388.65-

Aµ3288.65-

Aµ0188.65-Vm045-

Vm063-

Vm081-

Vm0

Vm081

Vm063

Vm045

Am2.62

Am6.62

Am0.72

Am4.72

Am8.72

Am2.82

V(vref) I(R1)

V(out0) I(Vss1) -I(Vdd1)

LG=2nH, RG=0.012Ω

16ch terminated :12ch terminated :

4ch terminated : 8ch terminated :Solid Tantalum 660uF: IBIAS=50.4uA, Vref=-250mV

0µs 40µs 80µs 120µs 160µs 200µsVm0.252-

Vm6.052-

Vm2.942-

Vm8.742-

Vm4.642-

Vm0.542-

Aµ244.05-Aµ934.05-Aµ634.05-Aµ334.05-Aµ034.05-Aµ724.05-Aµ424.05-Aµ124.05-Aµ814.05-Aµ514.05-

V0.1-V8.0-V6.0-V4.0-V2.0-V0.0V2.0V4.0V6.0V8.0

Am0.52

Am0.62

Am0.72

Am0.82

Am0.92

Am0.03

Am0.13

V(vref) I(R1)

V(out0) I(Vss1) -I(Vdd1)

0µs 40µs 80µs 120µs 160µs 200µsVm2.152-

Vm4.052-

Vm6.942-

Vm8.842-

Vm0.842-

Vm2.742-

Aµ8044.05-

Aµ5734.05-

Aµ2434.05-Vm006-

Vm004-

Vm002-

Vm0

Vm002

Vm004

Vm006

Am2.52

Am2.72

Am1.92

V(vref) I(R1)

V(out0) I(Vss1) -I(Vdd1)

0µs 40µs 80µs 120µs 160µs 200µsVm2.052-

Vm8.942-

Vm4.942-

Vm0.942-

Vm6.842-

Vm2.842-

Aµ5044.05-

Aµ8734.05-

Aµ0534.05-Vm005-

Vm003-

Vm001-

Vm001

Vm003

Vm005

Am6.52

Am9.62

Am2.82

V(vref) I(R1)

V(out0) I(Vss1) -I(Vdd1)

0µs 40µs 80µs 120µs 160µs 200µsVm57.942-

Vm52.942-

Vm67.842-

Aµ6044.05-

Aµ2044.05-

Aµ8934.05-

Aµ4934.05-

Aµ0934.05-

Aµ6834.05-Vm054-

Vm072-

Vm09-

Vm09

Vm072

Vm054

Am8.52Am0.62Am2.62Am4.62Am6.62Am8.62Am0.72Am2.72Am4.72Am6.72

V(vref) I(R1)

V(out0) I(Vss1) -I(Vdd1)

LG=2nH, RG=0.012Ω

Ceramic 660uF: IBIAS=56uA, Vref=-250mV4ch terminated :

12ch terminated : 16ch terminated :

0µs 40µs 80µs 120µs 160µs 200µsVm8.052-

Vm0.052-

Vm2.942-

Vm4.842-

Vm6.742-

Vm8.642-

Aµ688.65-

Aµ578.65-

Aµ468.65-Vm007-Vm005-Vm003-Vm001-Vm001Vm003Vm005Vm007

Am5.52

Am1.62

Am7.62

Am3.72

Am9.72

Am5.82

Am1.92

V(vref) I(R1)

V(out0) I(Vss1) -I(Vdd1)

0µs 40µs 80µs 120µs 160µs 200µsVm5.052-

Vm9.942-

Vm3.942-

Vm7.842-

Vm1.842-

Vm5.742-

Aµ688.65-

Aµ288.65-

Aµ878.65-

Aµ478.65-

Aµ078.65-

Aµ668.65-Vm007-Vm005-Vm003-Vm001-Vm001Vm003Vm005Vm007

Am5.52

Am1.62

Am7.62

Am3.72

Am9.72

Am5.82

Am1.92

V(vref) I(R1)

V(out0) I(Vss1) -I(Vdd1)

8ch terminated :

0µs 40µs 80µs 120µs 160µs 200µsVm8.942-Vm6.942-Vm4.942-Vm2.942-Vm0.942-Vm8.842-Vm6.842-Vm4.842-

Aµ4588.65-

Aµ6388.65-

Aµ8188.65-

Aµ0088.65-

Aµ2878.65-

Aµ4678.65-Vm005-

Vm003-

Vm001-

Vm001

Vm003

Vm005

Am0.62

Am4.62

Am8.62

Am2.72

Am6.72

Am0.82

Am4.82

V(vref) I(R1)

V(out0) I(Vss1) -I(Vdd1)

0µs 40µs 80µs 120µs 160µs 200µsVm84.942-

Vm90.942-

Vm17.842-

Aµ0688.65-

Aµ4588.65-

Aµ8488.65-

Aµ2488.65-

Aµ6388.65-

Aµ0388.65-

Aµ4288.65-Vm054-

Vm072-

Vm09-

Vm09

Vm072

Vm054

Am2.62Am4.62Am6.62Am8.62Am0.72Am2.72Am4.72Am6.72Am8.72Am0.82

V(vref) I(R1)

V(out0) I(Vss1) -I(Vdd1)

LG=2nH, RG=0.012Ω

Ceramic 660uF : IBIAS=50.4uA, Vref=-250mV

16ch terminated :12ch terminated :

0µs 40µs 80µs 120µs 160µs 200µsVm8.052-Vm4.052-Vm0.052-Vm6.942-Vm2.942-Vm8.842-Vm4.842-Vm0.842-Vm6.742-Vm2.742-

Aµ544.05-

Aµ934.05-

Aµ334.05-

Aµ724.05-

Aµ124.05-

Aµ514.05-

Aµ904.05-Vm007-Vm005-Vm003-Vm001-Vm001Vm003Vm005Vm007

Am2.52

Am0.62

Am8.62

Am6.72

Am4.82

Am2.92

V(vref) I(R1)

V(out0) I(Vss1) -I(Vdd1)

8ch terminated :

0µs 40µs 80µs 120µs 160µs 200µsVm4.052-

Vm0.052-

Vm6.942-

Vm2.942-

Vm8.842-

Vm4.842-

Vm0.842-

Aµ344.05-Aµ144.05-Aµ934.05-Aµ734.05-Aµ534.05-Aµ334.05-Aµ134.05-Aµ924.05-

Vm007-Vm005-Vm003-Vm001-Vm001Vm003Vm005Vm007

Am2.52

Am8.52

Am4.62

Am0.72

Am6.72

Am2.82

V(vref) I(R1)

V(out0) I(Vss1) -I(Vdd1)

0µs 40µs 80µs 120µs 160µs 200µsVm2.052-

Vm8.942-

Vm4.942-

Vm0.942-

Vm6.842-

Vm2.842-

Aµ5044.05-

Aµ8734.05-

Aµ0534.05-Vm005-

Vm003-

Vm001-

Vm001

Vm003

Vm005

Am6.52

Am9.62

Am2.82

V(vref) I(R1)

V(out0) I(Vss1) -I(Vdd1)

0µs 40µs 80µs 120µs 160µs 200µsVm57.942-

Vm52.942-

Vm67.842-

Aµ6044.05-

Aµ2044.05-

Aµ8934.05-

Aµ4934.05-

Aµ0934.05-

Aµ6834.05-Vm054-

Vm072-

Vm09-

Vm09

Vm072

Vm054

Am8.52Am0.62Am2.62Am4.62Am6.62Am8.62Am0.72Am2.72Am4.72Am6.72

V(vref) I(R1)

V(out0) I(Vss1) -I(Vdd1)

4ch terminated :

LG=2nH, RG=0.012Ω

22

まとめ !（１）固体タンタルでの発振の波形は実際のものと違っているが、発振の出現するチャンネル数依存の振る舞いは再現できていると思われる。このことはIBIAS, VrefそしてLG, RGのパラメータに強く依存している。 　 （２）セラミックの場合、定性的な振る舞いを再現できていると思われる。例えば容量が大きい方が発振しにくくなるなど。特に、RG依存性が強いので、低温にした場合の容量の減少とともに、抵抗値の変動が発振を誘発しているかも知れない。

±2.5V に変更

電源（±1.25V,GND）は直接フィードスルーより

GND ?GND は直接フィードスルーへ

ANODETPCFE09 BUFFER AMP

フロントエンドエレクトロニクスの構成：三つのボード（Rogers, セラミック）

37ピンのPeekコネクター （D-Sub)

ANODEとTPCFE09の二つのボードはできるだけ近くに設置すること

ANODE

TPCFE09

BUFFER AMP

ANODE

TPCFE09

BUFFER AMP

予冷装置

LXe

岩谷PDC08

~4L/min

冷凍機インバーターノイズ大?。

ガス循環サーキュレーター

ガスハンドリングパネル

LXeクライオスタット

冷凍機電源+制御

TWINBIRD SC-UE15 173K@30W

真空断熱・熱交換器

28

TWINBIRD SC-UE15 173K@30W

Thermal exchanger in vacuum

Xe Precooling system

Figure 1: (left) 3D drawing of the PTR, heat exchanger and the connection with cryostat. (right) Schematic of XEMIS cryogenic system.

“Improvement of xenon purification system using a combination of a pulse tube refrigerator and a coaxial heat exchanger”, Chen W_-T. et al., Proceedings of ICEC24 - ICMC 2012, Fukuoka, May 14-18 2012

Abstract : We have developed a compact cryogenic system with a pulse tube refrigerator and a coaxial heat exchanger. This liquefaction-purification system not only saves the cooling power used to reach high gaseous recirculation rate, but also reduces the impurity level with high speed. The heat exchanger operates with an efficiency of 99%, which indicates the possibility for fast xenon gas recirculation in a high pressurized large-scale xenon storage with much less thermal losses.

-103℃

-101℃ Pressure drop!0.15bar

2.5 - 33 NL/min200W at -108℃

2m long

2m long

Windowless APD

APD (S10937-9390(x)) with 137Cs in Liquid Xe with the feedback capacitor of 1pF

Daughter card

APD

Windowless No.2 in the chamber

bias voltage (V)

Relativ

e Ga

in

0"

50"

100"

150"

200"

250"

300"

350"

400"

450"

58.8" 59" 59.2" 59.4" 59.6" 59.8" 60" 60.2"

gain@pre4amp"

gain@post4amp"

No.1 No.2

No.3 No.4

Before the re-wire-bonding until 20 June

2014

After the re-wire-bonding,20 June 2014

K102

Measurement of γray spectrum

APD(5x5mm2) and frontend electronics Post-amplifier ORTEC 575A Multichannel analyser

windowless APD S10937-9390(X)

(5x5mm2)

S10937-9390(X)

1"

10"

100"

1000"

200" 250" 300" 350" 400" 450" 500"

(105"

(20"

0"

20"

40"

60"

bias voltage (V)

Gain

windowless APD : S10937-9390(X) (5x5mm2)

copy the gain curves at -20,0,20,40 and 60℃

extrapolate to -105℃, liquid Xe

temperature

y"="251.74e+0.031x R²"="0.99698

y"="74.931e+0.022x R²"="0.99937

y"="16.973e+0.013x R²"="0.99995

y"="13.058e+0.012x R²"="0.99932

y"="5.836e+0.009x R²"="0.99914

y"="2.209e+0.005x R²"="0.99846

1"

10"

100"

1000"

+120" +100" +80" +60" +40" +20" 0" 20" 40" 60" 80"

375"

350"

300"

290"

250"

200"

指数 (375)"指数 (350)"指数 (300)"指数 (290)"指数 (250)"指数 (200)"

Gain

Temperature in ℃

bias voltage (V)

37

bias V=330V, Liq.Xe 0dB in preamp, 1pF

bias V=310V, Liq.Xe 0dB in preamp, 1pF

bias V=300V, Liq.Xe 0dB in preamp, 1pF

bias V=290V, Liq.Xe 0dB in preamp, 1pF

38

300 V 310 V 320 V 333 V

• 137Cs & LXe (time : 1800 s) – No peak

Number  of  photon  is  very  low…  ?

Result • 22Na & LXe (time : 1800 s)

– No peak

• Y-axis is set to log scale. • It has almost same shape as 137Cs case.

Result

300 V 310 V 320 V 332 V

• 22Na & GXe (time : 1800 s) – No peak

• Y-axis is set to log scale. • It has almost same shape as 137Cs case.

Result

290 V 330 V 370 V 410 V

Compare to the PMT measurements (EDIT2013)PMT 2” square R7600

Measured results with a windowless APD : S10937-9390(X) (5x5mm2)

• 241Am & LXe (time : 1800 s) – One peak?

Result

290 V 300 V 310 V 320 V 325 V 332 V

Linear graph

39

• 241Am & GXe (time : 1800 s)

• Y-axis is set to log scale. • Count rate is very low. (about ~10 cnt/s)

Result

290 V 330 V 370 V 410 V

peaks

40

bias voltage (V)

Relativ

e Ga

in

APD with 241Am in Xe at Liquid and Gas (Pabs=4atm) phases with the feedback capacitor of 1pF

0"

5"

10"

15"

20"

25"

30"

280" 300" 320" 340" 360" 380" 400" 420"

gain@LXe"

gain@XeGas"

gain@4105℃"

gain@20℃"

gain@60℃"

Measured by K102

41

bias voltage (V)

Relativ

e Ga

in

APD with 137Cs(10kBq) in Xe at Liquid and Gas (Pabs=4atm) phases with the feedback capacitor of 1pF

Observed by the oscilloscope

0.0#

5.0#

10.0#

15.0#

20.0#

25.0#

30.0#

250# 300# 350# 400# 450# 500#

gain@pre1amp#

gain@post1amp#

gain@pre1amp(gas)#

gain@post1amp(gas)#

gain@1105℃#

gain@60℃#

gain@20℃#

まとめ

1. TPCFE09/LTCCボードでの読みだし不成功, Xe純化不足?, TPCFE09故障

2. LTspiceによる回路シミュレーション, 発振などの現象の再現を試みた

3. 2014年1月より約3ヶ月の間,Subatechよりインターンシップの学生を受け入れた

液体キセノン中でのAPD（Windowless)の特性測定

4. Windowless APDによる液体キセノン中でのγ線スペクトラムの測定

5. PTRのON/OFFでのキセノンの液面測定, 約1cmの不定性（上昇）を観測

6. ３つのボード(Rogers, セラミック板）よりなる新フロントエンドエレクトロニクス

システムの設計と製作

7. キセノン純化等の効率化のため予冷装置の設計と製作

8. GATE/GEANT4シミュレーションにより, 日仏共同研究のXEMIS2（小動物用PET）の

PTMシステム最適化を行っている