Transcript pptx - 小沢研究室

２０１１年２月１日
東京大学理学系研究科物理学専攻
小沢研究室 修士２年
桝本 新一
開発背景 J-PARC E26実験
γ線カロリメータ及び中性子TOF検出器の概要
新読出し方式でのカロリメータ性能評価
• 東北大学電子光理学研究センターの陽電子ビームを用いたビームテスト
中性子TOF検出器の性能評価
• SPring-8 LEPS施設でのテスト
まとめ
2


中間子の原子核中での質量変化を捉え
る実験
M. Nanva et al.,
PRC100(2008)192302
CBELSA/TAPS



CBELSA/TAPS
photon beamを用いてω中間子を生成し、
π0γ崩壊モードを用いて質量スペクトル
を得た。
LH2とNbターゲットでスペクトルを比較し
たが、no sensitiveであった。
問題点


生成中間子の運動量が大きすぎる
( >400MeV)
中間子の生成状態を同定していない
g+A +X
3
• J-PARC E26実験
原子核中でのω中間子質量変化
p- + A   + n + X
p0 + g
g+g
K. Utsunomiya, Master Thesis (2010)
-質量変化期待値
9%（～70MeV）
-Mass resolution
 30MeV
3γを検出しinvariant mass
を測定 γ線検出器
nを検出しmissing mass
を測定 中性子検出器
γ線カロリメータ



中性子TOF検出器
検出するγ線エネルギー:～450MeV
質量分解能 30MeV
～4πのアクセプタンス






KEK-E246実験で使用され、現在J-PARC
TREK実験で使用される予定のCsI(Tl)結晶
カロリメータを使用
(200MeV以下では十分なエネルギー分解能を
持つことを先行研究により確認済み)
TREK実験に向け読出し回路がアップグ
レード中で、そのテストを行った
検出する中性子の運動量:1.8GeV程度
飛行距離 7m
質量分解能 30MeV → TOF分解能 80ps
検出効率 30%

厚さ3cmのシンチレーション検出器を使用
シンチレータを4層用意し、さらに各シン
チレータ前面に、厚さ1cmの真鍮板を設置

SPring-8 LEPS施設で、実際にE26実験で
使用される中性子検出器をテスト

NIM A440(2000)151
n
E26では穴を
埋めて使用
p-
中性子
5
NIM A440(2000)151
前面約3×3cm2,後面約6×6cm2,長25cm(13.5X0)
のCsI(Tl)結晶が7.5°刻みに配置
E246実験での読出し方式:
100cm
PIN diode & shaper & PADC
レート耐性～a few ten kHz
CsI(Tl)光出力が時定数約1μsのため
140cm 性能を下げずにレート耐性を上げる
には増幅率の大きい素子が必要
→Avalanche Photo Diode (APD)
エネルギー分解能
Micro Pixel Photo Diode (MAPD)
4.3%@100MeV
実際にJ-PARCで必要となる
2.8%@200MeV
ただし、E246カロリメータ
レート耐性は余裕をもって1MHz
とは違うconfigurationで測定
された結果
→APD or MAPD & FADC読出し
7

APD(Hamamatsu S8664-55)




5mm×5mm
Gain～50
310p.e./MeV
MAPD (Zecotek)






3mm×3mm
ガイガーモード
pixel数が15000/mm2 と多い
ため、CsI(Tl)カロリメータの
読出しとして使用できる
Gain～105
70p.e./MeV
メインのpn接合の裏に特別な
ポテンシャルバリアを設けて
いる
NIM A610(2009)381
8
CsI(Tl)結晶にAPDとMAPDを接着し、結晶にLEDで約10MeVのエ
ナジーロス相当の光を入射し、LED入射のレートを変化させるこ
とによって、APDとMAPDのレート耐性を調べる
グラフの縦軸はLED入射1kHzでのQADC値で規格化している
プロトタイプのMAPD
ではこのような減少が
見られなかったため、
おそらく今回のMAPD
を作成するにあたり、
保護のために大きな
バイアス抵抗を入れて
しまったためであると
考えられる
MAPDは1kHz
以上のレートで
出力が減少して
しまう
9





実際のE246カロリーメータと同じ形状のCsI(Tl)結晶を
3×3本に並べて、APD&FADC読出し方式でテスト
トリガー及びBPM:ファイバーホドスコープ(48mm×48mm,16×16 fibers)
エネルギー分解能測定(50,100,200,300,460MeV e+ beam)
APD gainの時間依存性(200MeV e+ beam)
パイルアップ波形の取得(200MeV e+ beam, a few hundred kHz)
6×3mm2の
部分を使用
10
FADC波形情報から
エネルギー情報を
得るために波形の
フィッティングを
行う
フィッティング関数
 - (t - t0 ) 
 - (t - t0 ) 
exp
 B exp




S
L




C - A

 - (t - t0 )  
1  exp





 rise  

S　, L , rise , B の値は、波形
のフィッティングから得ら
れた一定値を使用
Cの値はイベントごとに、
FADCの最初の13chの平均
値を使用
A , t0 はイベントごとに
決める
Ａの値がエネルギーの
CsI(Tl)のシンチレーション
光が２成分あることを反映
大きさに相当する
0
2
4
6
8 [μs]
入射200MeVで得られた
エネルギー分布
青線:得られたエネルギー分解能
のフィッティング結果
2
E
 61.0 
 
  1.852
E
 E 
5MeV以上の出力があった
クリスタルの出力の総和
非対称ガウシアンでフィッティング
x - xp
 1
 02 
2
F ( x)  N exp- 2 ln (1 ) - 
2


2
0
E

σE : 分解能
xp : peak値
η : 非対称度


2

 0  sinh-1
,   2 ln 4 

2


Energy[MeV] resolution[%]
50
8.8±0.7
100
6.31±0.30
200
4.82±0.17
300
3.90±0.13
460
3.41±0.10
12
質量782MeVの粒子の崩壊の質量分布
質量782MeV,巾なし,
運動量0で計算を行
い、γ線検出器の
Mass resolutionを
評価した。
（本来のωの自然巾:8.49MeV）
Mass resolution
⇒21MeV
Invariant mass [MeV]
クリスタル１
クリスタル２
Peak:376.0
σ:10.86%
～10時間後
Peak:435.4
σ:11.68%
～10時間後
Peak:375.6
σ:11.04%
Peak:433.7
σ:11.68%
14
パイルアップが、最初のパルスか
ら8usの範囲内に1回だけ存在す
るイベントに対して、波形解析をお
こない、1個目のパルス及び2個
目のパルスについてエネルギー
分解能を見積もる。
2個目のパルスについては、
BPMでビーム入射位置を特定
できないため、9本のうち中心のク
リスタルが最も出力が大きかった
イベントを選びだすことによって、
カロリメータの中心にビームが入
射したと判断
・ 200MeVのe+ビーム
・レート：数百kHz
0
2
4
6
8 [μs]
15
・ 200MeVのe+ビーム
・レート：数百kHz
1個目のパルス
Peak:576ch
σ：5.02±0.17%
2個目のパルス
Peak:571ch
σ：5.26±0.19%
0
2
4
6
8 [μs]
16
2個目のパルスは1個目のパ
ルスに比べて、1%のAPD出
力の減少と、0.3%程度のエネ
ルギー分解能の悪化がみら
れた。
16
1～4μs後
Peak:571ch
σ：5.33±0.23%
パイルアップがあった波形につ
いて、2個目のパルスが、
1個目のパルスの1～4μs後に
あった場合と、4 ～ 8μs後にあっ
た場合とで比較
4～8μs後
分解能及び中心値に大きな変化
なし
Peak:570ch
σ：5.24±0.25%
1MHz以下で、十分な性能
17

新読出し方式APD&FADCで、波形解析に
よってエネルギー分解能を評価した


ω中間子の質量分解能 21MeV
１MHz付近のレートで200MeVの陽電子に
対し、１％のAPD出力の減少と0.3％のエ
ネルギー分解能の悪化が見られた。
18


検出する中性子の運動量：1.8GeV程度
要求される性能




TOF分解能80ps
検出効率30%
時間分解能を達成するために厚さ3cmのシンチ
レーション検出器を使用する
検出効率を稼ぐため、シンチレータを4層使用し、
さらに各層の前面に厚さ1cmの真鍮板を設置する
中性子
20
http://pdf.lbl.gov/2010/hadronic-xsection/hadronicrpp_page121.pdf



厚さ3cmのシンチレータ1枚
で検出効率約2.5%
1.8GeV付近の中性子は、
真鍮板から荷電粒子が放出
される
厚さ1cmの真鍮板1枚で、
5%程度の検出効率の増加が
見込める
陽子
π中間子
光子
K. Utsunomiya, Master Thesis (2010)
5.2%
1.2%
2.1%
21





photon beam 1.5～3GeV
(105 photons/s)
deuteron target
LEPS TOF Wall の後ろに
中性子検出器を設置
電子・陽電子が主
ハドロン生成のtotal cross
section 200μbにより中性
子も生成
PRC73(2006)035214
22





実際にE26実験で使用される中性子検出器の一部を使用
1列×3層の中性子検出器を、LEPS TOF Wall の後ろに、ビーム軸から
55cm離れた場所に設置(ターゲットからの距離:4.6m)
3層目の中性子検出器の後ろに、 1cm角のシンチレーション検出器を設置
TDC,ADCをLEPSのDAQでphysics runと同時に中性子検出器のテスト
2層目と3層目のシンチレータの前面に真鍮板を設置し、厚みを変えて測
定することによって相対的な中性子検出数の増加を調べる

真鍮板の厚み: 0mm,4mm,7mm,10mm
23





start counter と中性子検出器との時間差からβ～1の粒
子を選びだす
3層の中性子検出器と1cm角のシンチレータの、計４つ
のコインシデンスのイベントを選び出す
3枚の中性子検出器の時間差の分布から、各中性子検出
器の時間分解能を見積もる
Slewing correction後、60ps程度の時間分解能
両読みのPMTの時間差から、15mm程度の位置分解能
時間分解能[ps] 位置分解能[mm]
Scintillator1
67.9
14.83
Scintillator2
60.2
14.97
Scintillator3
55.0
11.02
24

荷電粒子と違い、中性子の場合、厚さ3cmのシンチ
レータのどこで相互作用が起こるかわからないため、
時間分解能が悪化する。


相互作用位置が 3 12 cmふらつくため、1.8GeVの中性子
に対しては33psの時間分解能の悪化→時間分解能70ps
さらに、真鍮板内での相互作用位置のばらつきと放出
された粒子の運動量のばらつきが影響するが、不確定
な要素が多い。

仮に200MeVの陽子の放出を仮定した場合、厚さ1cmの真
鍮板で相互作用位置が 1 12 cmふらつくとすると、35psの
時間分解能の悪化→時間分解能70ps
25


TOFのスタートタイミングは加速器のRFの
情報を使用
PIDのため、中性子検出器の前面にあるTOF
Wallの情報を用いて、荷電粒子を除去する。
→光子、中性子のみが残る

光子は、中性子検出器のβ分布から除去する
26
2層目のシンチレータ
のβ分布



0mm～10mmのデータセットは、１層目の中性子検出器に入射した
photonの数でイベント数を規格化
中性子検出器の横や裏から、ゴミがたくさん入射しており、バック
グラウンドが大きくなってしまう
主なバックグラウンドの原因が電子・陽電子由来であると考え、上
の図はTOF Wall の中心±5cmの範囲に入射があったときのイベント
27
をカットしているが、それではまだ不十分
時間分解能～60ps (for charged particle)
 中性子に対しては70ps程度になる見込み
→missing mass resolution 26MeV


中性子検出効率
中性子検出器周辺から飛んでくるバック
グラウンドを減らすため、中性子検出器
の周りにシンチレータを設置
28

新読出し方式APD&FADCでCsI(Tl)結晶カ
ロリメータの性能評価
ω中間子の質量分解能 21MeV
 1MHz以下で、十分な性能


中性子検出器の性能評価
荷電粒子に対する時間分解能 60ps
 中性子に対する時間分解能を70psとすると、
Missing mass resolution 26MeV

29
30
過去の読出し回路(Pin diode)では、8100p.e./MeVで、これが
エネルギー分解能に与える影響は無視できたため、性能は、
1 crystalの最小検出可能エネルギーとシャワーの漏れによって
決定されていた。
今回の実験のセットアップで、シャワーの漏れをGeant4でシ
ミュレーションし、5MeVを以上の出力があったクリスタルの
みを足し合わせて、エネルギー分解能を再現
 1 crystalの最小検出
APDテスト実験結果
可能エネルギー

APD ：～5MeV
simulation
APDでもPhoto electron 数
による影響は無視できる
31

γ線エネルギー:
～250MeV(TREK), ～450MeV(E26)
E
 エネルギー分解能:
～a few %
E

磁場中で動作(TREK)

レート耐性:～a few hundred kHz/module
→これらの条件を満たすためKEK E246実験で使用された
32
CsI(Tl)カロリメータをアップデートして使用する
• J-PARC E06(TREK)
T violation探索
K+  π0 +
μ+ + ν
g+g
• J-PARC E26実験
原子核中でのω中間子質量変化
p- + A   + n + X
p0 + g
g+g
大立体角のγ線カロリメータが必要となる
33
 - (t - t0 ) 
C - A  exp

  decay 
0
2
4

 - (t - t0 )  
1  exp





 rise  

6
8
[μs]
でfitした場合
34
n
ピーク波長 550nm
発光スペクトル 350～700nm
Index 1.8
54000 photons/MeV
p
-
p
-
target
35
n
Amp x(10-20)
Current
amplifier x100
Low
frequency
filter
(constant
level)
Compensation of
constant level
36
Requested performance in TREK





Counting rate up to 100 kHz/module
Dynamical range 1-200 MeV/module
Time resolution ~ a few ns (accidentals rejection)
Capability for pile-up rejection ( CsI(Tl) is slow
scintillator)
Gamma and charge particle ID (desired for
background rejection)
What we have at the beginning?
PMT XP-2020, signal 20-40 MeV
CsI(Tl) has two time constant:
s=600 ns (~90%)
L=3.5 ms (~10%)
rise~100 ns
SAINT-GOBAIN CRYSTAL Co. data
Main signal part ~ 2 ms, tail has length
up to 5 ms.
37
FADC波形情報から
エネルギー情報を
得るために波形の
フィッティングを
行う
フィッティング関数
 - (t - t0 ) 
 - (t - t0 ) 
exp
 B exp




S
L




C - A

 - (t - t0 )  
1  exp





 rise  

S　, L , rise , B の値は、波形の
フィッティングから得られた
一定値を使用
(60ch,370ch,2.9ch,0.12)
CsI(Tl)のシンチレーション
光が２成分あることを反映
0
2
4
6
8 [μs]
9本のクリスタル各々の中心に
陽電子ビームを当て、クリスタ
ル各々のgain調整を行った
陽電子ビーム :
100,200,300,460MeV
39



5×5mm2 (Hamamatsu S8664-55)
磁場中でも動作可能
～310p.e./MeV
40
41
Peak:577ch
σ：4.89±0.15%
42
Equivalent noise level～800keV
σ=1.605ch
43
44
Pin diode読出しによる過去の性能と今回のテスト結果を比較した
Pin diodeの性能は、E246実験で測定されたπ0質量分解能
5.6%を再現するシュミレーションを、本テストのセット
アップに合わせて改変し比較対象とする。

1 crystalの最小検出
可能エネルギー


APD ：～5MeV
Pin Diode ： 5MeV
APDテスト実験結果
simulation
Pin diodeと同程度の
分解能がAPDでも得ら
れた
45
46
Trigger1
500MeV<m<850MeV
p<100MeV
Trigger2
720MeV<m<850MeV
p<400MeV
47
Trigger1
712MeV
Trigger1
782MeV
Trigger2
782MeV
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
青線:得られたエネルギー分解能
のフィッティング結果
2
E
 61.0 
 
  1.852
E
 E 
E
2
2
 b0   b1 
2
   
  b2
E
E  E
b0:ノイズ項
b1:統計項
b2:定数項
58
59
K. Utsunomiya, Master Thesis (2010)

３つのポテンシャル
60
K. Utsunomiya, Master Thesis (2010)
Missing Mass Spectra
Invariant Mass Spectra
504イベント
601イベント
61
204イベント
K. Utsunomiya, Master Thesis (2010)

Invariant mass spectra
2366イベント
2755イベント
938イベント
62
2層目のシンチレータ
のβ分布


0mm～10mmのデータセットは、１層目の中性子検出器に入射した
photonの数でイベント数を規格化
イベント数規格化でかけているfactor 1,10.14,1.606,0.8755
63