Si-APDリニアアレイ検出器...
17
計測システム研究会 核融合研 2013年7月10日 Si-APDリニアアレイ検出器 によるX線時間分解測定 岸本俊二 B 、米村博樹 B 、島崎昇一 A,B 、池野正弘 A,B 、斉藤正俊 A,B 、谷口 敬 A,B 、田中真伸 A,B KEK物構研、KEK素核研 A 、Open-It B ～ 空間分解能とナノ秒時間分解能の両立 ～
Transcript of Si-APDリニアアレイ検出器...
計測システム研究会 核融合研 2013年7月10日
Si-APDリニアアレイ検出器 によるX線時間分解測定
岸本俊二B、米村博樹B、島崎昇一A,B、池野正弘A,B、斉藤正俊A,B、谷口 敬A,B、田中真伸A,B
KEK物構研、KEK素核研A、Open-ItB
～ 空間分解能とナノ秒時間分解能の両立 ～
Fe-57 14.4keV, T1/2=98 ns
放射光核共鳴散乱
励起X線入射後の核放射線による
時間スペクトル
“量子うなり”
原子核と電子との相互作用 による“分裂”
電子状態や原子の環境がわかる
2nsパルス間隔を使った 時間分解X線回折イメージング
Timing Chart
X-rays (500 MHz)
2 ns
1.06ms Laser pulse (946 Hz)
delay
Si-APD Pixel array Detector
sample
2ns間隔
時間
回折強度の時系列変化
カウント数
0 10 20 30 40 50 60-8
-6
-4
-2
0
APD Channel
Posi
tion
(mm
)
-1M-1k-100050100200400800800
散乱強度の分布測定
“刺激”
64チャンネル Si-APDリニアアレイ （比例モード） Hamamatsu S5343-9158 pixel size: H100μm ×V200μm 64 pixels, 9.6mm long with 0.15-mm pitch
Thickness : 10 µm → Time resolution of Si-APD itself : 100 ps
9.6 mm
200 µm
100 µm 150 µm
260mm
260mm
60mm
150mm
80mm
85mm
信号処理システム Ver.2
＃READOUT基板 FPGA: XC6SLX150-3FGG484 Si-TCP搭載。 ＃64CH_FE基板 LTCC(ASIC 4個)ｘ4, ASIC冷却
用Fan付き。 サンプリング時間：最短1ns (最大16.7ms）。トリガー入力に続く 連続1024chの時系列計数測定が可能。 カウンタ：36 bit/ch 測定時間：2μs－4295s
LTCC 基板 （4個）
APDアレイ を装着
TH: > 10 mV
4 mm
5.5mV/fC
For baseline restroration
4 ch/chip
Amp. Shaper Discri. ASIC for Si-APD Ver.2
500MHz Output
250MHz toggle
125MHz
125MHz
NJR 0.8-µm BiCMOS process
PECL
09年度 BLR機能つきハイブリッドICアンプ2号機(＜1 ns-FWHM)をテスト。
ディスクリートアンプ（DC再生型） • 初段のパルスア
ンプの入力と出力電圧差をDCアンプで検出。
• 後段のパルスアンプは増幅すると同時にパルス幅を縮めて、ACカップルで出力する。
• DCアンプの出力
を出力に抵抗を通して付け加える。
ディスクリートアンプ
• インパルス反応～1.43nS(FWTM)。
• 入力等価雑音電荷：1080等価電子＠0pF。
– 3.9KeV(Si)/gain。
• 消費電力
• +5V：20mA
• -5V：2mA
• DC再生機能。
– 検出器電流再生。
• 製作目的 －ASIC版のための予備テスト。
－小規模システムに実用。
-5 0 5 10
-20
-15
-10
-5
0
5
Ampl
itude
(mV)
Time (ns)
1.1 ns(FWHM)
Amp. Out
X-ray energy : 8 keV
Si-APD
1mm径、30μm（空乏層厚） （浜松ホトニクス S5343LCタイプ SPL3941） 4pF, 逆バイアス電圧：-250V （M~30）
-10 -5 0 5 10-150
-100
-50
0
50
Am
plitu
de (m
V)
Time (ns)
TH level: -11 mV
ベースラインシフトは ほぼ解決。 パルスのすそ部分の重なり は残った。
Input: 4.2×109 phs/s
Amp. Out
ディスクリ出力なし
0 200 400 6000
5000
10000
15000
20000
25000
30000
Coun
ts
Time (ns)
∆T: 1 ns
250 260 270 280 290 3000
5000
10000
15000
20000
25000
30000
Coun
ts
Time (ns)
∆T: 1 ns
Si-APDリニアアレイ検出器による測定
サンプリング時間（ΔT）：min. 1ns 時系列の計数ch：1024
1周624ns = 2ns間隔312バンチ分。30nsの空バンチ領域が4個ある。 トリガー信号は、RF 500MHzを1/312（1.60MHz）に分周して入力。
126ns 30ns
2ns間隔のX線パルスを識別
PFリング マルチバンチ運転でのテスト測定 @8-keV
100200
300400
500600
0
120000
240000
360000
480000
600000
16
32
48
64C
ount
s (1
0 s)
Chan
nel
Time (ns)
Z: 0.0 mm
PFリング ハイブリッドモード運転時のX線計数時間分布： ΔT:1nsでの測定。
シングルバンチ 電子バンチ幅（FWHM) 0.14ns
マルチバンチ （130バンチ）
リニアアレイの ﾁｬﾝﾈﾙ：No.1~64 ch.16付近にビーム入射。
120 130 140 150 1600
2
4
6
8
Coun
ts (x
105 , 1
s)
Time (ns)
Single bunch
1.4 ns(FWHM)
時間幅：1.4ns（FWHM) による測定が実現できた。
-6 -4 -2 0 2 4 60
1
2
3
4Co
unts
(x1k
, 1 s
)
Position (mm)
No filter, +160 V0.01mm/1 sec Scan, TH:1845
-1 0 10
1
2
3
4
Coun
ts (x
1k, 1
s)
Position (mm)
+/- 5%
Φ10μmビーム（8keV）による ピクセルごとの計数測定
0.15 mm ピクセル平均値： ±5%以内で分布
検出効率(平均）： 10.3±0.2%
FPIX-WS LabVIEW-PC
Counter（NCT0802）
Stage controller （SHOT-302G）
X-Z motorized stages
Detector Huｂ
RS/LAN （NPort）
64ch Si-APD linear-array Detector system
HV (+160V) DC Power (+5V)
SR timing/ Trigger signal
10m
Detector
鉄箔や 金属ガラス（Fe78Si9B13 ）
SPring-8 BL09XU 核共鳴散乱 ΔE: 2.5meV
2040
600
50100
150
0
200
400
600
Coun
ts (1
400
s)
APD
Ch
Time (ns)
鉄箔 Fe-57 90%濃縮 4μm 外部磁場あり。
14.4keV
JAEA: 三井、春木、 JASRI： 依田 との共同研究
102030405060
0
20
40
60
80
100
0 50 100 150
Coun
ts (6
00 s
)Time (ns)
APD
Ch102030405060
0
20
40
60
80
100
0 50 100 150
APD
ChCo
unts
(600
s)
Time (ns)
299K 830K 昇温
ガラス材料： Fe78Si9B13
高温下でFeSi, FeBの結晶化によって磁性が変化する。
1. サンプリング1nsでの時系列計数測定に成功。時間分解能： 1.4ns（FWHM)を確認。 検出効率のピクセル間不均一性：＜±5%。 2．64ch リニアアレイ・システムの核共鳴小角散乱への応用： 4月にSP-8 BL09XUで実施。 PFでは、時間分解X線散乱・回折実験への応用を検討中。 今後、サンプリング：0.5ns ・ 時間分解能：＜1nsの達成を目
指す。 ３．高集積度電子回路系の採用によって検出器からの情報が高度化： 位置識別と時間変化を同時測定。
試料条件（温度、圧力等）の変化、時間変化を追いかける測定が可能になる。
まとめ
