メキシコ高山における宇宙線高精度観測のための高速読み出しシステムの開発

概要

名古屋大学宇宙地球環境研究所（旧：太陽地球環境研究所）を中心とする SciCRT グループは、K2Kで用いていたSciBar検出器を2013年4月にメキシコ高山シェラネグラに設置した。ビーム方向を天頂におきかることにより、世界最高感度の太陽中性子望遠鏡を実現したが、現在のバックエンドボードとVMEバスの組み合わせでは不感時間の影響が大きく、未だその能力を十分に発揮できていない。そこで、データ取得にSiTCPを用い、現在のバックエンドボード以降を置き換えることにより最高性能を実現する。本プロジェクトは、新たなバックエンドボードを製作することを目的としている。

メンバー

伊藤好孝, Itow Yoshitaka(代表:名古屋大学　太陽地球環境研究所)
松原豊，Matsubara Yutaka（名古屋大学太陽地球環境研究所）
﨏隆志，Sako Takashi（名古屋大学太陽地球環境研究所）
佐々井義矩，Sasai Yoshinori（名古屋大学太陽地球環境研究所）*
川端哲也，Kawabata Tetsuya（名古屋大学太陽地球環境研究所，全学技術センター）
足立匠，Adachi Takumi（名古屋大学太陽地球環境研究所，全学技術センター）
池野正弘, Ikeno Masahiro（IPNS, KEK）
内田智久, Uchida Tomohisa（IPNS, KEK）
田中真伸, Tanaka Manobu（IPNS, KEK）

機能・特徴

SciCRT（SciBar Cosmic Ray Telescope）は、約15,000本のプラスチックシンチレータから構成される飛跡検出器である。各プラスチックシンチレータには波長変換ファイバーが通してあり、64本の波長変換ファイバーは64チャンネル対応のマルチアノード光電子増倍管（MAPMT）で信号読み出しされる。各MAPMTの直後には、フロントエンドボードが搭載されており、ASICによってアナログ信号の処理がされる。ASICは、32チャンネル対応のVA/TAチップを使用しており、VAはsample&holdを各チャンネル並列で行い、後段のアナログマルチプレクサにより電圧値がバックエンドボードに送られる。TAは、discriminatorにより、ヒット信号を生成し、32チャンネルのORを取る。ヒット信号は、トリガーボードに伝送され、ハードウェアトリガー条件の判定に使われる。バックエンドボードは、フロントエンドASICのコントロール、FADCによるVA出力電圧のAD変換、VMEバス転送を行う。以上がデータ取得の流れであるが、これらの読み出し回路を高山での太陽中性子観測に使う場合には以下のような問題がある。

１枚のバックエンドボードをADC読み出しするのに、約1 msecの不感時間が生じる。
複数枚のバックエンドボードを一度に読み出す場合は、さらに不感時間が大きくなる（VMEクレート単位での読み出しをするため）。
上記読み出し中には、TAのヒット信号を送るラインにVMEによる読み出しノイズが発生し、ヒットとの区別がつかない。

我々が観測を行う4,600 mの環境は、環境中性子が非常に多く、これが太陽中性子観測に対する最も大きなバックグラウンドとなる。環境中性子も含めて、太陽中性子による信号を捉えるために、VMEバスではなく、SiTCPによるネットワーク読み出し方式を採用する。2014年の3月には、Ver1が完成し、名古屋で性能評価を行い、シエラネグラ山でも宇宙線読み出し試験を実施した。Ver2でマイナーチェンジを施し、量産を行った。2015年7月には、SciCRTの一部にインストールが完了。今後も、適宜実機のアップデートを行っていく。

新しいバックエンドボードの仕様

公開リソース

Ver1の回路図（pdf, DSN）

図・写真等

SciCRT_BEB_Ver1の写真

SciCRT_BEB_Ver1及び2のアッセンブル後の写真