Transcript (@山形大学) 発表資料

RIBFにおける不安定核反応実験のための
高効率中性子検出器の開発
東工大 理工 中村研究室
田中佳奈 中村隆司 佐藤義輝 小林信之
日本物理学会
2008年秋季大会 実験核物理領域
For the future
RIBFにおける不安定核ビームの高エネルギー化・大強度化
中性子検出器NEBULA
@ 理化学研究所
（開発・建設中、2008~2011年）
SRC
fRC
BigRIPSE/A=350MeV
従来の施設
A＜50
E~100MeV/n
新施設RIBF
(RI Beam Factory)
2007年完成
A＜238 , E~350MeV/n
世界最大強度1013個/s
エネルギーE[MeV/n]
エネルギーE[MeV/n]
IRC
RIBF
従来
不安定核ビームの質量数A
RIKEN
不安定核ビームを用いた実験
中性子ドリップライン近傍の原子核の非束縛準位の特定：不変質量法
例：14Beの非弾性散乱[1]
14Be(0+)
励起・崩壊
14Be(2+)
n
n
target
  
M  E  E  E   P  P  P 
E  M  M  M  M 
E  E S
rel
x
n
14Be*
rel
n
12Be
2n
12Be
n
放出粒子
（中性子など）
を検出
12C
14Be(2+)
2
2
12Be
Pn
n
ref.[1] T.Sugimoto et al.
Phys.Lett.B 654,160(2007)
‘The first 2+ state of 14Be’
14Be*
PBe
12Be
12Be
不安定核
ビーム
n
n
Pn
12Be
n
n
12Be+2n
n
Ex
n
S2n
14Be(0+)
放出粒子の運動量Pの測定→非束縛準位のエネルギーExの特定
実験装置のアップグレード
RIBFで計画されている実験装置
高エネルギーの放出粒子を
高効率で検出する検出器
中性子検出器
NEBULA
従来の施設での実験装置
中性子
（30～100MeV）
中性子
（100～350MeV）
n n
核
荷電粒子
や陽子
検出効率
（20%→70%）
アクセプタンス
（鉛直方向±5°）
target
質量分解能の向上
1m
不安定核ビーム
(~100MeV/n)
（質量数20→100）
[cm]
1m
高エネルギー化
不安定核ビーム
(~350MeV/n)
n
核
n
中性子検出器NEBULA
(NEutron-detection system for Breakup of Unstable-nuclei with Large Acceptance)
・Vetoカウンタと複数面の中性子検出器
・各面プラスチックシンチレータ
（12W×180H×10Dcm3）×30本
と両読みのフォトマル
・中性子の位置と飛行時間（TOF）を測定
1.8m
特徴・目標値
・高効率：20%→ 70%
・大きなアクセプタンス
水平方向±10°,鉛直方向±5°
・複数個の中性子の検出効率の向上
2nの場合：(20%)2=4%→(70%)2=49%
・不変質量分解能：従来の水準
（相対エネルギー1MeVで200keV）
またはそれ以上
3.6m
Vetoカウンタ
位置・飛行時間
を測定
中性子
Ⅰ計算コードDEMONSによるシミュレーション
Ⅱプロトタイプ検出器によるオフラインでの時
間分解能の測定
Ⅰ-1 中性子の検出方法
中性子→直接検出不可能
①プラスチックシンチレータ
中の水素や炭素と反応
n
En
n
p
θ
Ep
n+p → n+p
②エネルギー移行率@弾性散乱
M
E  4 cos2 
E
1 M 2 n
③発光効率（反跳荷電粒子の
質量によって異なる）
n
p
n
12C
n+12C → n+12C
M  1より
M  12より
E p  En cos2 
EC  0.284En cos2 
229MeVee
(En  250MeV,  0)
7.9MeVee
(En  250MeV,  0)
①プラスチックシンチレータ中の水素や炭素と反応
②中性子は荷電粒子にエネルギーを移行
③荷電粒子による発光を検出
散乱2
中性子 散乱1
発光量が少ない散乱
→中性子はほとんど検出されない
→後方で検出される中性子の位置・時間分解能の低下
散乱3
検出
プラスチックシンチレータ
Ⅰ-2 計算コードDEMONSによるシミュレーション
中性子
250MeV
pencil beam
x
y
計算コードDEMONS
検出
(x,y,z), t
(x0,y0,z0), t0
--検出器のジオメトリ、標的での入射中性子の位置・エネルギー等を入力
--中性子の軌跡を追うモンカルロシミュレーション
「中性子が最初に検出されるまでの散乱回数」に注目
--検出効率の厚さ依存性
z
180cm
12cm
スレッショルド：6MeVee
--位置分解能の厚さ依存性
位置分解能：⊿x=x-x0,⊿y=y-y0,⊿z=z-z0
Intrinsicな時間の不確定性：σ=130psを付加
検出効率の厚さ依存性
位置分解能（y方向）の厚さ依存性
100
検 80
出70%
効 60
率
3回目以上
y( )
1回目の散乱で検出
[cm]
2回目
40
2回目
20
0
3回目以上
100cm
厚さ12[cm]×N面
1回目の散乱で検出
z[cm]（後方の面）
Ⅰ-3 計算コードDEMONSによるシミュレーション
相対エネルギー分解能の厚さ依存性
--32Ne(E=250MeV/n、Erel=1MeV)→30Ne+n+n
--1回目に検出された中性子×2個、荷電粒子→Erel
n
30Ne
n
32Ne
放射中性子
220~280MeV
Pn
n
250MeV/n
pencil beam
82Pb
n
Pn
target
30Ne
相対エネルギー分解能の厚さ依存性
Erel( )
[MeV]
z[cm]（後方の面）
PBe
運動量分解能
 =p/700を付加
z
中性子検出器
NEBULA
Ⅱ-1 プロトタイプ検出器による時間分解能の測定
実験セットアップ
light guide
φ4.6×10H×12Dcm3
TL
A.2”12段H7195
B.3”12段H6559
宇宙線
Tu
中性子検出器
plastic scintillator(EJ200)
180W×10H×12Dcm3
Td
スタートカウンター
plastic scintillator(EJ200)
15W×1H×3Dcm3
--宇宙線を特定するための
3重コインシデンス
--スタート（CFD）：T  (Tu  Td ) 2
時間分解能(σ)～50ps
ストップ（Leading edge）：TL , TR
--左側：2”,3”、セメントで固定
右側：グリス＋固定具
--ライトガイド：UVT、ルサイト
--スレッショルド-30mV～-200mV
TR
①12段H7195
②10段R7724ASSY
（ライトガイド有無）
③12段XP2262B
右側：固定具の様子
スタートカウンター
12段XP2262B
Ⅱ-2 解析方法
宇宙線
①
①ADCスペクトルにゲート
→ノイズを除去
count
90
80
70
60
50
40
ノイズ
30
除去
20
10
0
0
500
1000 1500 2000
TDC(T  TR ) ns
TDC(T  TR ) ns
-1
-1
-2
-2
0
③
0
count
60
50
40
スルー補正
-3
ガウス関数を
フィット
↓
時間分解能1σ
30
-3
20
-4
-5
0
-4
500
-5
1000 1500 2000 0
ADC
C1
ADC
③ T  TRのヒストグラム
→ガウス関数をフィット
 1  t   2 

g t   A exp  
 2    


ADC
②
TDC
②スルー補正
10
500
1000 1500 2000
ADC
0
-3
-2
-1
0
1
TDC(T  TR ) ns
Ⅱ-3 時間分解能のHV依存性
①12段H7195
②10段R7724ASSY
t ( )
[ps]
③12段XP2262B
t ( )
[ps]
102
t 
101
時
間
[ns]
100
TTS
1000
1500
2000
-HV[V]
1
HV
時間分解能（片読み）：
①②110ps
③130ps
相対エネルギー
分解能（DEMONS）
①②165keV
③166keV
2500 3000
HAMAMATSU
Ⅱ-4 ライトガイドの有無による時間分解能の違い
t ( )[ps]
②10段R7724ASSY
ライトガイドありの方が
高い時間分解能が得られた
Ⅱ-5 光電面の径による時間分解能の違い
t ( )[ps]
A. 2”H7195
B. 3”H6559
2”の方が高い時間
分解能が得られた
TTS（FWHM）：1.1ns
TTS（FWHM）：1.5ns
まとめ
Ⅰ DEMONS
・厚さ100cmで検出効率70％以上を実現。
・後方の面で検出される中性子→位置・時間・相対エネルギー分解能が低下
Ⅱ プロトタイプ検出器
・オフラインで宇宙線を検出。片読みで110、130psの時間分解能が得られた。
→相対エネルギー分解能はほとんど変わらない
今後
Ⅰ DEMONS
・中性子検出器の配置の工夫→クロストーク現象に関する考察
Ⅱ プロトタイプ検出器
・高エネルギーの陽子ビームを用いた7Li(p,n)7Be反応による中性子検出器のテスト
終わり
スルー補正について
TR   R 
C1
ADC
観測時刻＝真の時刻＋スルーの効果
TDC(T  R ) ns
TDC(T  TR ) ns
0
スルー補正
0
-1
-1
-2
C1
-2
をフィットし
ADC
-3
TRからスルー現象の
-4
効果を差し引く
TDC 
-3
-4
-5
0
500
1000 1500 2000
ADC
-5
0
500
1000 1500 2000
ADC
時間分解能のADCピーク依存性
時間分解能の電荷量依存性
時間分解能の位置依存性
検出位置との距離が短い
→高い時間分解能
時間分解能のHV依存性（スレッショルド=30mVの時）
高いHV→TTS等が短くなる→高い時間分解能
さらに高いHV→プラトーな領域を超え、ノイズが増える→時間分解能悪化
count/s
スレッショルド
10000
30mV
120mV
200mV
1000
100
100
1010
1000
プラトー領域
1
0.1
0.01
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
プラトー領域に入るようにHV・スレッショルドをかける
固定の仕方による時間分解能の違い
フォトマル：H7195
条件：オプティカルセメントorグリス＋固定具
A.オプティカルセメント
①グリス＋固定具
時
間
分
解
能
[ps]
100ps
110ps
セメントの方が10%程度高い時間分解能が得られた。
TDCキャリブレーション
TDC 8モジュールの較正式
x[ch],y[ns]
ch1：y = 0.0247x + 8.305
120
100
ns
80
ch1
ch2： y = 0.0248x + 8.276
ch2
ch3： y = 0.0249x + 7.7005
ch3
60
40
ch4
ch4： y = 0.0246x + 8.2265
ch5
ch5： y = 0.0242x + 8.4631
ch6
20
ch7
ch6： y = 0.0249x + 8.367
ch8
ch7： y = 0.0248x + 8.6955
0
0
1000
2000
3000
4000
ch8： y = 0.0251x + 8.7981
5000
TDC ch
1200
HVとLeak電流の関係
leak current [μA]
1000
800
H7195
R7724ASSY
600
XP2262B
H6559
400
200
0
500
1000
1500
2000
-HV[V]
2500
3000
HVとADCピークchの関係
102
時間分解能のHV依存性
101
1 2

1
mv  eV , v  , T 
2
T
V
T
1
 C（一定）
 T  CT 
T
V
時
間
[ns]
100
TTS
1000
1500
2000
-HV[V]
2500 3000
HAMAMATSU
回路図
Trigger 40mV
Width 80ns
30ns delay
ch1
CFD
ch2
スタート
カウンター ch3
CFD
ch4
CFD
Width 50ns
100ns
delay
CFD
Width 50ns
Delay THRU
Width 200ns
Width 50ns
G.G.
ch5
TDC start
ADC gate
Discri.
start
中性子
検出器
ch6
Discri.
ch7
Discri.
ch8
Discri.
VETO
stop
Delay THRU
Width LATCH
200ns
delay
Trigger 30mV
Width 150ns
ch1~8 analog
G.G.
Width 50ns
100ns
delay
TDC
full range 100ns
ADC
full range 1000pC
Output Reg.
宇宙線のFlux


総数N
 面積S  Flux
rate[1/ s] 
測定時間T
天頂角をとすると
地上
宇宙線のFlux[1/ sr  cm  sec]はF    cos より
2
2
rate0    dS F  
0
0
0
0
  d  d  r 2 sin  cos2   1  cos3 0 (0が一定の時)

10
rate1   1  
 102  122



rate2   1  


3


  0.7376


200c/h
1

  0.3695
202  122 


10cm
10cm
3
20
2
100c/h
10cm
12cm
12cm
番号
反応
①
n+p → n+p （陽子との弾性散乱）
②
n+12C → n+12C+γ
③
n+12C → n+12C （炭素との弾性散乱）
④
n+12C → n+12C+γ
⑤
n+12C → α+9Be
⑥
n+12C → n+3α
⑦
n+12C → n+p+11B、n+n+11C、p+12B
全ての散乱
②γ線による発光の排除が目的
③炭素との弾性散乱が極端に減少
→検出されず分解能低下の原因
1回目に検出される散乱
count
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦
反応番号
各面の位置・時間分解能
3回目以上の散乱で検出
2回目
中性子が最初に
検出されるまでの
散乱回数n ごと
1回目の散乱で検出
A2
中性子 A1
x
y
後方の面で位置・時間分解能の低下
z
A3
C1
検出効率の厚さ依存性（z×8面）
相対エネルギー分解能を求めた際の検出効率（面ごと）
粒子が持つエネルギーと発光量の関係
陽子が運動エネルギーTp[MeV]を持つ時の発光量[MeVee]



Te  0.95Tp  8.00 1.00  exp  0.10Tp 0.90  1MeVee
Te  0.196Tp  0.026Tp 2.00  1MeVee
炭素が運動エネルギーTC[MeV]を持つ時の発光量[MeVee]



Te  0.29TC  37.492 1.00  exp  0.01TC 0.874  1MeVee
Te  0.017TC  1MeVee