endo.ppt - 東北大・原子核物理グループ

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
12
Pdecay
,$-./0
"!(E!)
34#$*+
N!(E!)
技術
p,d,!!"
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
!"#$
%&'()
)*
'(%
#$%&
5$6
78$
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
2
2
2
$
'
"A
"
2 $" R '
2 $" Z '
= (# +1) & ) + (# +1) & ) + # 2 & E )
%R(
%Z(
%E(
A
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
高精度全エネルギー検出器の候補
Ge検出器(半導体)
NaI(Tl)検出器
(シンチレーション)
CsI(Tl)検出器
(シンチレーション)
ε(eV)
検出器本体
前置回路
3
固体電離箱
25
NaI(Tl)
+光電子増倍管
電荷積分型
前置増幅器
(pre amp)
CsI(Tl)
+Photo diode
整形増幅器
(shaping amp)
56
⇩
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
+
全エネルギー≧数
+HV
数十GeV用の前置増幅器
Pre amp
Rf
hybrid
Shaping amp
Cf
(CR)
(RC)2
Ge
CsI(Tl)-PD
Q
Rf
Cf
4
ADC
Vout
τ=2
10μsec
Vout=Q/Cf 50V/1GeV＠Cf=1pF
→ = Q/(Cf+Cf ) Cf =10 500pF
τ=CR (Cf+Cf ){RfRf /(Rf+Rf )}=100 500μsec 実験場所
放射線医学総合研究所
HIMAC (Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba)加速器
実験方法
SB2
D1
F1
wedge
SF1
Be標的
二次ビーム
Δp/p
40Ar、84Kr
一次ビーム
400MeV/A
E0 ← B2(D2)
F2
D2
D 2cm/%
ΔE/E= 0.06%
＠ 1mm
Al真空隔壁
E0 SF3
TOF
β
Si
Si
ΔE Z2/β2
counts
選択
Ge/CsI
スペクトル
エネルギー
損失(Al真空
隔壁、SF3、
Si)
E
Ge/CsI
E
σE
分解能
σE/E
TOF
E
ADC
channel
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→ σ =60keV
E
84Kr 250MeV/A 84=21GeV→ σ =80keV
E
→ σE/E=(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)
6) 10-4 %
Ge検出器の測定原理
空乏層
荷電粒子
P+
+
-
++
+
-
n+
液体窒素
真空チェンバー 平衡温度98K
到達真空度
10-7Torr
-
Si
Cu
逆バイアス
Pre ampへ
真空計
Beam
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)
Ge
Ge結晶
Ge-thick semi-planar
セットアップ
35mm
60φ
Pre amp
142AG(ORTEC)
Cf220pF、Rf1.5MΩ
Ge-thin planar
60φ
10mm
Pre amp
595H(clear pulse)
Cf510pF、Rf1MΩ
Ge-thick ＠170V ビーム試験
解析 粒子の選択 38S(Z=16)
Si
counts
40Ar
二次ビーム
Siスペクトル
→ 分解能
(HV、F1slit幅、
F2slit幅、入射角
依存性)
TOF
ADC channel
B2ρ２＝3.57Tmより F2でのエネルギー 104MeV/A
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
↓ 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)
Geの入射エネルギー 81MeV/A (R=2.4mm)
Ge-thin ＠1000V ビーム試験 84Kr
解析 粒子の選択 80As(Z=33)
Si
二次ビーム
counts
Siスペクトル
→ 分解能
(D2、F1slit幅依
存性)
TOF
ADC channel
B2ρ２＝5.85Tmより F2でのエネルギー 248MeV/A
Ge-thin
定格電圧:1000V
↓
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)
Geの入射エネルギー 231MeV/A (R=7.3mm)
ビーム試験 結果と考察
counts
Geスペクトル
Ge-thick 170V
F1slit 0.5mm
(actual 0.85mm)
↓
σE/E=0.35%＠3GeV
ADC channel
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 ?
CsI(Tl)検出器
NaI(Tl)検出器との比較
NaI(Tl)検出器
潮解性
蛍光寿命(τ)
密度(ρ)
光の波長(λ)
分 ε
解 変換効率
能
光電子数
CsI(Tl)検出器
有り
＜
無し(扱いが容易)
0.2μsec
＞
1μsec
3.67g/cm3
＜
4.51g/cm3
415nm
540nm
光電子増倍管
(gain高い)
Photo diode
25eV
56eV
20%
＜?
80
100%
NaI(Tl)の2倍
光の波長領域
CsI(Tl)検出器の測定原理
遮光ケース
荷電粒子
反射材(アルミホイ
ル、紙、3M-ESR)
グリス
Pre ampへ
CsI結晶
102 50 [鏡]
302 40 [鏡/スリ]
403 [鏡/スリ]
(40cube)
503 [鏡]
(50cube)
Photo diode
102(200、300μmt)
ライトガイド :50V
182 (300μmt):100V
結晶表面
(鏡面、スリガラス) 282 (300μmt):100V
102 50小型結晶のテスト
(Photo diode 102
pre 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

1.
2.
3.
Cf 、Rf
ハイブリッド
Clear Pulse CS515-1
SOSHIN CS AMP-3
HOHSHIN 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
CS515-1
Cf 、Rf
→ビーム試験で使用する
pre amp決定
Cf 、Rf
CS AMP-3
N012-1
Pre ampの決定
CS
5151
CS
AMP3
N012
-1
1pF
○
○
○
10pF
○
○
○
100p
F
○
○
Cf
40cube スリガラス + PD 282
Pre amp Cf =1pF
→ CsI：CS515-1にCf =100pF、Rf =1MΩ
Si：N012-1にCf =10pF、Rf =10MΩ
大型結晶のテスト
 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)
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、
N012-1 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
セットアップ
 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
アルミ箱
40Ar
二次ビーム 解析 粒子の選択 37S(Z=16)
Si
counts
Siスペクトル
→ 分解能
(F1slit幅、shaping
time依存性)
TOF
ADC channel
B2ρ２＝5.78Tmより F2でのエネルギー 264MeV/A
↓
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)
CsIの入射エネルギー 254MeV/A (R=2.1cm)
84Kr
二次ビーム 解析 粒子の選択 82Se(Z=34)
Si
counts
Siスペクトル
TOF
ADC channel
B2ρ２＝6.11Tmより F2でのエネルギー 270MeV/A
↓
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)
CsIの入射エネルギー 243MeV/A (R=1.0cm)
ビーム試験 結果
37S(Z=16)
counts
counts
CsIスペクトル
σE/E=0.35%
＠9GeV
ADC channel
82Se(Z=34)
CsIスペクトル
σE/E=0.36%
＠20GeV
ADC channel
CsI 50cube(鏡面) CsI 40cube(スリガラス)
+ LG + PD 282
+ LG + PD 182
分解能： 全エネルギー依存性
84Kr
Si
二次ビーム
粒子の選択
47Sc(Z=21)
TOF
B2ρ２＝6.11Tmより F2でのエネルギー 308MeV/A
↓
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)
CsIの入射エネルギー 295MeV/A (R=2.0cm)
counts
47Sc(Z=21)
84Se
47Sc
σE/E 0.36% 0.39%
CsIスペクトル
σE/E=0.39%
＠14GeV
ADC channel
CsI 40cube(スリガラス)
+ LG + PD 182
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
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
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
40Ar、84Kr
二次ビームで試験
 Ge検出器 → σE/E=0.35%＠3.1GeV
 CsI(Tl)検出器 → σE/E= 0.34%＠20GeV
A=100に対して要求される分解能0.1%には
達しなかった
原因：Ge 表面の汚れ?
Ge/CsI(Tl) 回路(pre ampのCf)?
現状：A=33までの5σ分離が可能
大立体角磁気分析器
大型超伝導電磁石
（磁場３テスラ）
入射ＲＩビーム
（BigRIPS より）
リターンヨーク
磁極（直径 2m)
超伝導コイル
真空箱
標的
中性子
回転台
中性子検出器
焦点面検出器
陽子
重入射核破砕片
目的
エネルギー200-350MeV/A、質量数20-100
領域での重RIビーム実験
↓
入射核破砕片の粒子識別(Z、A)
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
HV依存性
Ge-thick
 250 90Vまではほぼ同じ分解能
 170V以上かけるとベースライン
が広がるが、分解能は変化しない
F1 slit幅依存性
Ge-thick
 Slit幅 2mmではビームの
広がりの効果は小さい
→ Geの分解能
入射角依存性
Ge-thick
 入射角依存性はない
 再結合の効果は小さい
(後日、セミ平板型で
はなく同軸型であるこ
とが判明)
Ge-thin
D2、F1 slit依存性
 D2を+0.5%(1.03122→
1.03636)にすると分解能良
い
原因はよくわからない
ライトガイドによる違い
37S
CsI
82Se
 ライトガイドの絞りが強すぎると分解能は悪くな
る
結晶表面、ライトガイドでの違い
37S
82Se
 鏡面よりスリガラスが分解能良い
 ライトガイドでさらに良くなる
CsI
Photo diodeによる違い
37S
82Se
 Photo diodeの有感面積が大きい方がノイ
ズがのりやすく、分解能が悪くなると予想
↓
37Sは変化無し
CsI
CsIについてのまとめ
 反射材 → 3M-ESRフィルム
 結晶表面 → 小型結晶γ線試験：鏡面
大型結晶γ線試験：鏡面/スリガラス
大型結晶ビーム試験：スリガラス
↓
さらにテスト必要
 ライトガイド → 絞りすぎは
Ge-thick
F2 slit幅依存性
 Wedgeを入れて粒
子を選んでいるの
で、mass slitで変化
は見られないはず
↓
予想通りの結果