Transcript 中性子寿命測定：TPCの性能評価

中性寿命測定
TPCの性能評価
東京大学大学院 理学系研究科物理学専攻 山下研究室
山田 崇人
中性子デバイスとその応用V
2012.2.27
1
おさらい
• Fiducial volumeにおいて中性子崩壊に伴う電子と
3He吸収反応を同時計測する。
εn : 3He吸収反応の検出効率
ρ : 3Heの密度
σ : 3Heの中性子吸収断面積
Simulation : Deposit energy in TPC
102
10
Counts
• Energy cut / Fiducial cut で
Event selectionを行う。
Counts [a.u.]
τn : 中性子寿命
v : 中性子の速度
εe : 電子の検出効率
Sb
: On-axis neutron decay
Sn
: On-axis neutron capture in 3He
Experiment : Max energy deposit among the field wires
energy
3
10
Bb
1
• ガス圧・ビームの時間構造を
利用してバックグラウンドを
引き算する。
: Neutron capture in 12CO2
3
On-axis He reaction candidates
10-1
10-2
102
10-3
10-4
35keV
10
10-5
1
01
0.5
10
1
1.5
10
10
33
2.5
22
Energy [keV]
log (Energy [keV])
10
中性子デバイスとその応用V
2012.2.27
2
TPCに求められる性能
• 高い検出効率
εn : 3He吸収反応の検出効率
ρ : 3Heの密度
σ : 3Heの中性子吸収断面積
τn : 中性子寿命
v : 中性子の速度
εe : 電子の検出効率
• 低エネルギー側のエネルギー分解能
•
12Cの中性子吸収は中性子崩壊の2.5倍
• 放射される即発γ線は最大で5.0MeV
•
12Cの反跳エネルギーは1.0keV
Simulation : Deposit energy in TPC
2
10
10
Counts
Counts [a.u.]
CO2吸収反応 (1 keV)
除去済み
Sb
: On-axis neutron decay
Sn
: On-axis neutron capture in 3He
Experiment : Max energy deposit among the field wires
energy
103
Bb
1
: Neutron capture in 12CO2
3
On-axis He reaction candidates
10-1
10-2
102
10-3
10-4
35keV
10
10-5
中性子デバイスとその応用V
2012.2.27
1
01
0.5
10
1
1.5
10
10
22
2.5
33
Energy [keV]
log (Energy [keV])
10
3
• アノードワイヤーに直交する宇宙線に対し
Detection efficiency
検出効率
1.2
Experiment : Detection Efficiency
1.15
100kPa (He:CO =85:15)
2
1.1
50kPa (He:CO =85:15)
2
1.05
1
0.95
– 100kPa -> 97%
– 50kPa -> 77%
0.9
0.85
0.8
→ MCと比較すると閾値は200eV相当
0.75
0.7
2
4
6
8
10
12
14
16 18 20 22
Anode wire [ch]
• 中性子崩壊からの電子 （0~782 keV）に適用
Probability [1/wire]
– ビーム軸で等方に発生
– ヒットしたワイヤーとビーム軸の最近接距離を評価
→ 99.9%以上の電子がビーム軸から4wire以内
にヒットを残す
1
Simulation : On-axis neutron decay
100kPa
50kPa
10-1
10-2
中性子デバイスとその応用V
2012.2.27
・・
・・
10-3
0
2
4
6
8
10
12
14
X [wire]
4
エネルギー分解能
• エネルギー分解能に寄与するパラメーターと実測値
パラメーター
実測
イオン化時の再結合
12 %
ドリフト中の減衰(150mm) 4 % (4 days)
増倍の非一様性
増倍/閾値
. 。. 。. 。. 。. 。. 。. 。. 。. 。.
減衰
電子
5%
イオン化/再結合
中性子デバイスとその応用V
2012.2.27
5
エネルギー分解能(再結合/減衰)
再結合
減衰
MWPC部
なし
0 mm
Drift部（上）
あり
75 mm
Drift部（下）
あり
225 mm
1
0.9
Experiment : Recombination at the time of ionization
100kPa (He:CO = 85:15)
2
0.8
0.7
再結合
0.6
0.5
0.4
実測 :
Attenuation Efficiency
Recombination Effect
• X線(5.9keV)を用いて評価。
1
100kPa (He:CO = 85:15)
0.7
0.5
12%
0.2
0.1
0.1
250
300
実測 ： 2%
0.4
0.2
200
減衰（150mm）
0.6
0.3
0
2
0.8
0.3
0
50
100 150
中性子デバイスとその応用V
2012.2.27
Experiment : Attenuation during drift
0.9
350
Electric field [V/cm]
0
0
50
100
150
200
250
300
350
Electric field [V/cm]
6
エネルギー分解能(減衰/増幅)
• 減衰の時間変化
– 封じきりに伴うアウトガスによる劣化を評価
• Gainの一様性
– 5.9keVの信号に対して、再結合/減衰/イオン化の効果を取り除いて評価
0.12
Experiment : Time variation of attenuation efficency
Achieving vacuum : 3.6 ´ 10-4 Pa
Counts
Attenuation efficiency
6000
Experiment : Energy Resolution
Measured
5000
Achieving vacuum : 2.9 ´ 10-3 Pa
55
Fe spectrum
Expected Non-uniformity of gain
0.1
４日での減衰
s/mean = 9.9%
4000
0.08
Gainの一様性
実測 ： < 4%
0.06
実測 ： 5%
s/mean = 5.1%
2000
0.04
1000
0.02
0
中性子デバイスとその応用V
0
0.5
1
1.5
2
2.5
2012.2.27
3000
3
3.5
4
4.5
5
Time [day]
0
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
78
Deposit Energy [keV]
エネルギー分解能(spectra)
• 12C吸収反応との分離
– MCで作ったdeposit energyのtrackに、
イオン化/再結合/減衰/増倍/閾値の効果を適用した。
実測
イオン化時の再結合
12 %
ドリフト中の減衰(150mm) 4 % (4 days)
増倍の非一様性
圧力
50 kPa
100 kPa
5%
1.4 keV 以下の中性子崩壊
0.061(6) %
0.026(4) %
→ ガス起因バックグラウンドの引き算
N = 2xN50kPa - N100kPa
に伴って伝搬したUncertaintyは0.13%となる
中性子デバイスとその応用V
2012.2.27
103
Counts
パラメーター
102
energy
Simulation : Separation between S and Bb
b
Sb 100kPa (He:CO =85:15)
2
Sb 50kPa (He:CO =85:15)
2
energy
Bb
10
1
1.4keV
10-1
Recombination
12 %
Attenuation
4%
Non-uniformity of gain 5 %
10-2
10-3
10-4
10-5
0
1
2
3
4
5
6
Deposit Energy [keV]
8
まとめ
• TPCの基礎特性を実測した。
パラメーター
実測
宇宙線検出効率(100kPa)
97 %
宇宙線検出効率(50kPa)
77 %
イオン化時の再結合
12 %
ドリフト中の減衰(150mm) 4 % (4 days)
増倍の非一様性
• 実測値をMCに適用し、Requirementを満たす
性能であることを確認した。 パラメーター
5%
MC
β線検出効率
>99.9 %
1.4keV以下のβ(100kPa)
0.026(4) %
1.4keV以下のβ(50kPa)
0.061(6) %
ガス起因バックグラウンドの引き算
によるUncertainty
0.13 %
• Data Drivenで0.1 %のオーダーで中性子崩壊を
見積もることが可能なTPCである！
中性子デバイスとその応用V
2012.2.27
9