Transcript 重RIビーム粒子識別用 全エネルギー検出器の開発

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
励起核
光子分布
N(E)
陽子／
中性子
仮想光子
(重標的)
崩壊
残留核
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
崩壊
Pdecay
原子核の応答
(E)
p,d,標的
反跳核子
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
A
2
2
2









2
2
  1  R    1  Z    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
ε(eV)
検出器本体
前置回路
Ge検出器(半導体)
3
固体電離箱
NaI(Tl)検出器
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)
(シンチレーション)
CsI(Tl)検出器
56
(シンチレーション)
+
⇩
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〜数十GeV用の前置増幅器
Pre amp
+HV
hybrid
R
Shaping amp
f
(CR)
C
f
Ge
CsI(Tl)-PD
(RC)2〜4
Q
R f’
C f’
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
ADC
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
Be標的
SF1
二次ビーム
Δp/p
40Ar、84Kr
D〜2cm/%
ΔE/E=±0.06%
±1mm
一次ビーム
400MeV/A
＠
Al真空隔壁
E0 SF3
Ge/CsI
E
TOF
β
Si
E0 ← B2(D2)
F2
D2
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
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=(4〜6)×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
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
逆バイアス
Pre ampへ
真空計
Cu
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
Ge-thin
60φ
Pre amp
142AG(ORTEC)
Cf220pF、Rf1.5MΩ
planar
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
40Ar
二次ビーム
counts
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)
ADC channel
TOF
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
有り
0.2μsec
3.67g/cm3
415nm
CsI(Tl)検出器
＜
＞
＜
無し(扱いが容易)
1μsec
4.51g/cm3
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]
Photo diode
102(200、
ライトガイド
2
300μmt)
30 ×40 [鏡/スリ]
:50V
3
40 [鏡/スリ] (40cube)
結晶表面
2 (300μmt):100V
18
(鏡面、スリガラス)
503 [鏡]
(50cube)
282 (300μmt):100V
102×50小型結晶のテスト
(Photo diode 102
amp 142A Cf1pF)
pre
 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’
CS AMP-3
→ビーム試験で使用する
pre amp決定
Cf’、Rf’
N012-1
Pre ampの決定
Cf’
1pF
CS
CS
515-1 AMP3
○
○
○
10pF
○
○
○
100pF
○
○
×
40cube スリガラス + PD 282
Pre amp Cf’=1pF
→
N0121
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、 CS5151 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
 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
klab:
40Ar
二次ビーム 解析 粒子の選択
Si
37S(Z=16)
counts
Siスペクトル
→
分解能
(F1slit幅、shaping
time依存性)
ADC channel
TOF
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
Si
counts
82Se(Z=34)
Siスペクトル
ADC channel
TOF
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
counts
結果
37S(Z=16)
CsIスペクトル
σE/E=0.35%
＠9GeV
ADC
50cube(鏡面)channel
CsI
+ LG + PD 282
counts
82Se(Z=34)
CsIスペクトル
σE/E=0.36%
＠20GeV
ADC channel
CsI 40cube(スリガラス)
+ 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)
CsIスペクトル
σE/E=0.39%
＠14GeV
σE/E
E
84Se
47Sc
0.36%
20GeV
0.39%
14GeV
分解能 ： 全エネルギーに
あまり依存しない
スケール：
ADC channel
CsI 40cube(スリガラス)
+ LG + PD 182
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
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
40Ar、84Kr
＞0.1%(A=100)
原因
： 表面の汚れ?
： 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) ？
Ge
CsI(Tl)
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
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