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重 RI ビーム粒子識別用全エネルギー検出器の開発
東北大学大学院 理学研究科
物理学専攻 原子核物理 遠藤 奈津美
RI ビームを用いた原子核実験 @RIBF(2007-)領域: エネルギー: 250-300 MeV/A 質量数 A : < U (電荷状態の制限から < 100 )
物理 電磁破砕反応: (γ,n), (γ,p)… (ソフト ) 巨大共鳴: 集団運動 非共鳴励起 : 一粒子運動
核子散乱 : (p,p), (p,p’), (p,2p), (p,d)… 基底 / 励起状態の核構造
技術 前方に放出される入射核破砕片の測定 特に粒子識別: (Z 、 A) の同定
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Nγ(Eγ)
σγ(Eγ) Pdecay
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粒子識別の方法
① 電荷/運動量/速度
② 電荷/運動量/全エネルギー
質量数 A → 運動量 R 、電荷 Z 、全エネルギー E
精度: σE/E 〜 0.1% ← σA/A=0.2/100 ↓
高精度全運動エネルギー検出器の開発高精度全運動エネルギー検出器の開発
€
σAA= γ+1( )2σRR
⎛ ⎝ ⎜ ⎞
⎠ ⎟2+γ+1( )2σZZ
⎛ ⎝ ⎜ ⎞
⎠ ⎟2+γ2σEE
⎛ ⎝ ⎜ ⎞
⎠ ⎟2
高精度全エネルギー検出器の候補ε(eV) 検出器本体 前置回路
Ge 検出器 ( 半導体 )
3 固体電離箱 電荷積分型前置増幅器(pre amp)
+整形増幅器
(shaping amp)
NaI(Tl) 検出器( シンチレーション )
25 NaI(Tl)+ 光電子増倍管
CsI(Tl) 検出器( シンチレーション )
56 CsI(Tl)+Photo diode
⇩
Ge 検出器 : 高エネルギー分解能 (ε=3eV) CsI(Tl) 検出器: 大型化、安定動作
Vout=Q/Cf 〜 50V/1GeV @ Cf=1pF → = Q/(Cf+Cf
’) Cf’=10 〜 500pF
τ=CR 〜 (Cf+Cf’){RfRf
’/(Rf+Rf’)}=100 〜 500μsec
Rf’
Cf’
Rf
Cf
+HV
Ge
CsI(Tl)-PDQ Vout
(CR) (RC)2 〜 4
ADC
τ=2〜 10μsec
Pre amp
hybrid
Shaping amp
全エネルギー≧数〜数十 GeV 用の前置増幅器
実験場所
HIMAC (Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba) 加速器
放射線医学総合研究所
実験方法
E0 ← B2(D2) エネルギー
損失 (Al 真空 隔壁、 SF3 、Si)
E
40Ar 、 84Kr 一次ビーム400MeV/A
D1 D2
F1
F2
β
SF1
SF3Al 真空隔壁
wedge
Be 標的二次ビーム
Si
Ge/CsI
ΔE〜 Z2/β2
E
E0
選択
E
σE
Δp/pD 〜 2cm/%
ADC channel
TOF
Si counts
Ge/CsIスペクトル
分解能
σE/E
SB2
TOF
ΔE/E=±0.06% @ ±1mm
Ge 検出器特徴 長所: NaI(Tl) 検出器と比較して分解能が良い
60Co 1.33MeV→σE=0.63keV 40Ar 250MeV/A×40=10GeV→ σE=60keV 84Kr 250MeV/A×84=21GeV→ σE=80keV
→ σE/E=(4 〜 6)×10-4 %
短所:高価 結晶の大きさに制限 放射線損傷 扱いが大変 ( 真空、冷却 )
Ge 検出器の測定原理液体窒素 平衡温度 98K
真空計
Cu
Ge
Si
Beam
真空チェンバー
到達真空度 〜 10-7Torr
ΔV=eN/C (C:Ge の静電容量、 e: 素電荷、N:電子正孔対の数 )
→ΔQ=CΔV=eN ∝ E( エネルギー )
P+ n+
++--
-
--
+
+
+
Pre ampへ
荷電粒子
逆バイアス
空乏層
Ge結晶 セットアップGe-thick semi-planar
Ge-thin planar
35mm
60φ
60φ 10mm
Pre amp142AG(ORTEC)Cf220pF、 Rf1.5MΩ
Pre amp595H(clear pulse)Cf510pF、 Rf1MΩ
Ge-thick @ 170V ビーム試験 40Ar 二次ビーム
解析 粒子の選択 38S(Z=16)
B2ρ 2= 3.57Tmより F2でのエネルギー 104MeV/A
↓
Ge の入射エネルギー 81MeV/A (R=2.4mm)
エネルギー損失 (Al 真空隔壁、 F3プラシンチ、 BDC 、入射窓マイラー、 Si)
→ 分解能
(HV 、 F1slit 幅、F2slit 幅、入射角依存性 )
ADC channel
counts
TOF
Si
Ge-thick 定格電圧 :4000V リーク電流大で 250V までしかかけられない
Si スペクトル
Ge-thin @ 1000V ビーム試験 84Kr 二次ビーム
解析 粒子の選択 80As(Z=33)
B2ρ 2= 5.85Tmより F2でのエネルギー 248MeV/A
↓
Ge の入射エネルギー 231MeV/A (R=7.3mm)
エネルギー損失 (Al 真空隔壁、 F3プラシンチ、 BDC 、入射窓マイラー、 Si)
→ 分解能
(D2 、 F1slit 幅依存性 )
ADC channel
counts
TOF
Si
Ge-thin 定格電圧 :1000V
Si スペクトル
ビーム試験 結果と考察Ge-thick 170VF1slit ±0.5mm (actual 0.85mm)
↓
σE/E=0.35% @ 3GeV
問題
1. HV がかからない
2. σE/E=0.3%は何で決まっているか
beam 、 straggling : OK ? Pre amp Cf 大 ?
ADC channel
counts
Ge スペクトル
CsI(Tl) 検出器 NaI(Tl) 検出器との比較 NaI(Tl) 検出器 CsI(Tl) 検出器潮解性 有り < 無し (扱いが容易 )蛍光寿命 (τ) 0.2μsec >
1μsec
密度 (ρ) 3.67g/cm3 < 4.51g/cm3
光の波長 (λ) 415nm光電子増倍管(gain 高い )
540nmPhoto diode
分解能
ε 25eV< ?
56eV
変換効率 20% 80 〜 100%
光電子数 NaI(Tl) の 2 倍
光の波長領域
CsI(Tl) 検出器の測定原理
Pre ampへ
遮光ケース
荷電粒子
CsI結晶
102×50 [ 鏡 ]
302×40 [ 鏡 / スリ ]
403 [ 鏡 / スリ ] (40cube)
503 [ 鏡 ] (50cube)
Photo diode
102(200 、 300μmt) :50V
182 (300μmt):100V
282 (300μmt):100V
反射材 (アルミホイル、紙、 3M-ESR)
結晶表面 (鏡面、スリガラス )
ライトガイド
グリス
102×50小型結晶のテスト (Photo diode 102 pr
e amp 142A Cf1pF)
反射材に 3M-ESR →アルミホイルの 2倍の分解能
表面状態はスリガラスより鏡面 ⇩
◆結晶、 Photo diode の 大型化 ( 集光、容量 )
◆Pre amp の Cf 大
Pre amp ハイブリッド1. Clear Pulse CS515-12. SOSHIN CS AMP-33. HOHSHIN N012-1 CS515-1
CS AMP-3
N012-1
組み込む基板作成 γ 線源 (60Co)でテスト
→分解能 Cf
’ 大きくし、動作確認
→ビーム試験で使用する pre amp決定
Cf’ 、 Rf
’
Cf’ 、 Rf
’
Cf’ 、 Rf
’
Pre amp の決定
Cf’
CS 515-1
CS AMP-3
N012-1
1pF ○ ○ ○
10pF ○ ○ ○
100pF
○ ○ ×
→ CsI : CS515-1 に Cf’=100pF 、 Rf
’=1MΩ
Si : N012-1 に Cf’=10pF 、 Rf
’=10MΩ
40cube スリガラスPre amp Cf
’=1pF+ PD 282
反射材3M-ESR→アルミホイルではわかれなかった 60Coの二つのピークが見える(40Cube スリガラス +PD 282 、 ORTEC142A Cf=1pF)
表面状態鏡面よりスリガラス大型結晶で 60Co の 2つのピークがわかれる(40cube+PD282 3M-ESR 、 CS515-1 Cf=1pF)
大型結晶のテスト
小型:鏡面 大型:スリガラス
ライトガイドライトガイドをつけることにより、分解能良くなる(50cube鏡面 3M-ESR 、 N01
2-1 Cf=1pF)
大型結晶でも 反射材: 3M-ESR フィルム ライトガイドつける
⇩
60Co のふたつのピークがわかれるようになる
ビーム試験結晶と Photo diode の組み合わせ
CsI 50cube(鏡面 ) + LG + PD 182
CsI 50cube(鏡面 ) + LG + PD 282
CsI 40cube(鏡面 ) + PD 282
CsI 40cube( スリガラス ) + PD 282
CsI 40cube( スリガラス ) + LG + PD 182
CsI 182×40( スリガラス ) + PD 182
CsI 182×40( スリガラス ) + PD 282
セットアップ
アルミ箱
40Ar 二次ビーム 解析 粒子の選択 37S(Z=16)
B2ρ 2= 5.78Tmより F2でのエネルギー 264MeV/A
↓
CsI の入射エネルギー 254MeV/A (R=2.1cm)
エネルギー損失 (Al 真空隔壁、 F3プラシンチ、 BDC 、入射窓アルミホイル、 Si)
→ 分解能
(F1slit 幅、 shaping time依存性 )
ADC channel
counts
TOF
SiSi スペクトル
klab:klab:
84Kr 二次ビーム 解析 粒子の選択 82Se(Z=34)
B2ρ 2= 6.11Tmより F2でのエネルギー 270MeV/A
↓
CsI の入射エネルギー 243MeV/A (R=1.0cm)
エネルギー損失 (Al 真空隔壁、 F3プラシンチ、 BDC 、入射窓アルミホイル、 Si)
ADC channel
counts
TOF
Si
Si スペクトル
ビーム試験 結果 37S(Z=16) 82Se(Z=34)
σE/E=0.36% @ 20GeV
CsI 50cube(鏡面 ) CsI 40cube( スリガラス ) + LG + PD 282 + LG + PD 182
ADC channel
ADC channel
counts
counts
σE/E=0.35% @ 9GeV
CsI スペクトル CsI スペクトル
分解能: 全エネルギー依存性
B2ρ 2= 6.11Tmより F2でのエネルギー 308MeV/A
↓
CsI の入射エネルギー 295MeV/A (R=2.0cm)
エネルギー損失 (Al 真空隔壁、 F3プラシンチ、 BDC 、入射窓アルミホイル、 Si)
TOF
Si84Kr 二次ビーム
粒子の選択 47Sc(Z=21)
CsI 40cube( スリガラス ) + LG + PD 182
σE/E=0.39% @ 14GeV
CsI スペクトル
counts
ADC channel
47Sc(Z=21)84Se 47Sc
σE/E 0.36% 0.39%
E 20GeV 14GeV
分解能 : 全エネルギーに あまり依存しない
スケール: 飽和
まとめエネルギー 200-350MeV/A 、質量数 20-100 領域の
重 RI ビーム実験で粒子識別に用いる高精度全エネルギー検出器の開発高精度全エネルギー検出器の開発
40Ar 、 84Kr 二次ビームで試験Ge 検出器 → σE/E=0.35% @ 3GeV
CsI(Tl) 検出器 → σE/E= 0.34% @ 20GeV
> 0.1%(A=100) 原因 Ge : 表面の汚れ ? CsI(Tl) : 結晶中での飽和 Photo diodeでの電荷収集 Ge/CsI(Tl) : 回路 (pre amp の Cf 大 ) ?
CsI(Tl) の動作パラメータ•Pre amp Cf の増大: 速い回路では不安定(発振)、遅い HybridではOK 分解能への効果?•Photo diode 面積、容量: 明確な相関見えない•結晶表面 鏡面(小型)、スリガラス /Diffuser (大型)•反射材 高反射率の 3M-ESR•集光 (受光 )割合、ライトガイド 高く、ゆるやかにしぼる•全エネルギー 依存性弱•ビームエネルギー幅 (F1 スリット幅) ほぼ予想通り
調べていない部分
•CsI(Tl)中での発光量の飽和 傾向は見えている。 定量的には?•Photodiodeでの電荷収集 HV=0/FULL で few倍しか変わらない•回路? 大容量検出器+大容量 Cf
殆ど前例が無い
大立体角磁気分析器
中性子検出器
入射RIビーム( BigRIPS より)
標的
陽子 重入射核破砕片
中性子
真空箱
超伝導コイル
磁極(直径 2m)
リターンヨーク
焦点面検出器
回転台
大型超伝導電磁石(磁場3テスラ)