meg 実験用液体キセノン検出器におけるデジタル波形処理を用いた...

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MEG MEG 実実実実 実実実実実実実実実実実実実実実実実実実実実実 実実実実 実実実実実実実実実実実実実実実実実実実実実実 実実実実実実実実実実実 実実実実実実実実実実実 実実実実実実 , 実実実実実実 A , 実実実実 B , BINP-Novosibirsk C , INFN-Pisa D , PSI E 実実実実 , 実実実実 , 実実実 , 実実実実実 , 実実実実 B , 実実実 A , 実実実 , 実実実 A , 実実実実 A , 実実実実 , 実実 西 , 実実実実 B , 実実実実 , 実実実実 B , 実実実 , 実実実 , 実実実 , 実実実実 , A.A.Grebenuk C , D.Grigoriev C , Y.Yuri C , D.Nicolo D , S.Ritt E , G.Si gnorelli E 実実 実実 実実 実実 実実実実実実 実実実実実 実実実実実 実実 実実 実 実 2005 2005913

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日本物理学会2005年秋季大会 @大阪市立大 2005年9月13日. MEG 実験用液体キセノン検出器におけるデジタル波形処理を用いた パイルアップ事象の研究. 東大素粒子セ , 早大理工総研 A , 高エネ研 B , BINP-Novosibirsk C , INFN-Pisa D , PSI E 岩本敏幸 , 内山雄祐 , 大谷航 , 小曽根健嗣 ,  笠見勝祐 B ,  菊池順 A , 澤田龍 , 鈴木聡 A , 寺沢和洋 A , 名取寛顕 , 西口創 , 春山富義 B , - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: MEG 実験用液体キセノン検出器におけるデジタル波形処理を用いた パイルアップ事象の研究

MEGMEG 実験用液体キセノン検出器における実験用液体キセノン検出器におけるデジタル波形処理を用いたデジタル波形処理を用いた

パイルアップ事象の研究パイルアップ事象の研究

東大素粒子セ , 早大理工総研 A, 高エネ研 B, BINP-NovosibirskC, INFN-PisaD, PSIE

岩本敏幸 ,  内山雄祐 , 大谷航 , 小曽根健嗣 ,  笠見勝祐 B,  菊池順 A, 澤田龍 , 鈴木聡 A, 寺沢和洋 A, 名取寛顕 , 西口創 , 春山富義 B,

久松康子 ,  真木晶弘 B, 三原智 , 森俊則 , 山下了 , 山田秀衛 , A.A.GrebenukC, D.GrigorievC, Y.YuriC, D.NicoloD, S.RittE, G.SignorelliE

内山 雄祐内山 雄祐

日本物理学会2005年秋季大会 @大阪市立大 2005年9月13日

Page 2: MEG 実験用液体キセノン検出器におけるデジタル波形処理を用いた パイルアップ事象の研究

13/Sep/2005 日本物理学会2005年秋季大会   @大阪市立大

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Contents • Why waveform ?

• Waveform data

• Waveform simulation

• Pile-up rejection

• Summary

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13/Sep/2005 日本物理学会2005年秋季大会   @大阪市立大

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Using Lq.Xe as scintillator• large light yield• short decay time• short radiation length

In the MEG experimentall PMTs are read by

a fast waveform digitizer

Major background• Prompt background• Accidental background

e

e

e

e

?

signal background

52.8MeV

Why use waveform data

Unsegmented detector

Photon yield

reject pile-up of -rays

Crucial for the MEG experiment and very difficult without

waveform image

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13/Sep/2005 日本物理学会2005年秋季大会   @大阪市立大

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Waveform data

Analog sampling chip, switching capacitor circuits• Max sampling speed 4.5GHz (required 2.5GHz)• Sampling cells 1024• 8 data ch, 2 calibration ch(voltage and time) / chip• Read out speed 40MHz, 12bits• Domino wave runs continuously, only stopped by

the trigger

~\10,000/chn

DominoCircuit

ReadoutShift

Register

10 channels    x 1024 bins

Developed by Stefan Ritt NIM A 518(2004) 470

Domino Ring Sampler (DRSDRS)

Xe scintillation pulse

Xe waveform data were already taken successfully using prototype detector

Data analysis is going on.

I reported at last meeting... [m

V]

[sec]

2.5GHz sampling

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Waveform simulation

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WaveformPulse shape is a consequence of various effects like,

Scintillation process Light transport in the scintillator PMT response Shaping from circuit Cables Receiver (DRS)

electron= 45nsec

Xe scintillation process for Decay time 45nsec

TTS : Transit time spread of PMTfor individual photoelectrons

PMT TTS 0.75nsec (Typ.)

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13/Sep/2005 日本物理学会2005年秋季大会   @大阪市立大

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Waveform simulation1. Sum up single electron pulses for all photoelectrons

• Single electron response spread by TTS (Gaussian).• Arrival time of each scintillation photon tracked by MC simulation.

2. Shaped by low pass filter• RC shaping ( integration circuit )• Time constant RC = 5 nsec

8000 p.e.

–Data averaged pulse–Simulated pulse

Simulated waveform is well fitted to real waveform.

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Simulated waveformNow we can simulate waveform pulse by pulse.

Distribution of pulse width

Fluctuation of pulse shape is well

simulated

2000p.e. 500p.e. 100p.e.

Pulse shapes are not constant especially for small

pulses because of statistics.pu

lse

wid

th [

nsec

]

Data width:height

pulse height [mV]

Simulation

Due to DRS response for small pulses

We succeed in simulating pulse shape properly

After this, use these simulated waveform for analysis

Page 9: MEG 実験用液体キセノン検出器におけるデジタル波形処理を用いた パイルアップ事象の研究

Pile-up rejection

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Pile-up event

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1 PMT output2000p.e. + 1600p.e., T = 20nsec

1

2

Lq. Xe

after T

How to reject pile-ups ? distribution of PMT

output pulse shape

# of

p.e

.

T = t2 – t1 E1 + E2 = 1 (signal energy)

0.8 + 0.2

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Pile-up rejectionHow to find pile-ups ?

Peak search method simplest way but powerful in case of large T

Differential method powerful in case of T around rise time

Take moving average and count peaks

T=75ns, 2000p.e + 400p.e.

T=15ns, 600p.e. + 1600p.e

Take differentiation and count its peaks

Set threshold in peak finding with miss-

rejection of non-pileup signal

< 0.05%

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13/Sep/2005 日本物理学会2005年秋季大会   @大阪市立大

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Pile-up rejectionDifficult to find pile-up by looking at individual PMT output.

• # of photons for each PMT is small• # of PMTs which can observe event as a pulse is smal

l• Noise such as microstructure in pulse shape for small s

ignal

Take sum of PMT outputs• Larger pulse• Microstructure in pulse shape

disappear

Sum of all PMTs for signal

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Pile-up rejection• Taking all PMTs sum is not good from S/N viewpoint. • Sum in order of PMT output• How many PMTs to be summed ?

70% 90%

40 # of PMTs

S/N can be improved considerably

# of PMTs130

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Rejection efficiency

optimization

E 1 + E 2

= 1 (signal)

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Rejection efficiency

T 8ns

T 10ns

T 15ns

T 50ns

T 100ns

60%

Weak point• T less than 10nsec• Small pulse after large one

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Summary• We Succeed in simulating waveform fr

om LXe detector.

• It indicates the detector response is well understood.

• Algorithm for pile-up rejection is studied and is being optimized.

• Pile-ups can be separated if ,E: >5MeV, T: >10ns

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13/Sep/2005 日本物理学会2005年秋季大会   @大阪市立大

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Next step• Rejection spatially separated pile-up

using distribution of PMT outputs

• Rejection efficiency against

e background

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End of slides

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13/Sep/2005 日本物理学会2005年秋季大会   @大阪市立大

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DRS principle

Shift RegisterClk

IN

Out

“Time stretcher” GHz MHz“Time stretcher” GHz MHz

Waveform stored

Inverter “Domino” chain0.2-2 ns

FADC 40MHz