Transcript 発表会 - 宇宙線研究室

平成１５年度課題研究P６
希ガスシンチレータ班
発表者：穴田貴康 西村広展 湯浅翠
2004年3月11日
目次
• 動機
• セットアップ
• 測定
• 解析
• 結論
１．動機
μ-PICを用いたTPCのトリガーが欲しい
•
μ-PICで荷電粒子の二次元
track
• 反応時刻がわかればdrift
time より三次元trackがわか
る。
⇒self trigger（光）の必要性
① n+3He→p+3H Q=764keV
② MeV γ
100～数100keV
③ ダークマター検出器
10～数10keV
→検出の簡単な①の研究
μ-TPC
希ガスシンチレーション
• 高速 （2~3 ns)
• 紫外線から可視光領域
のシンチレーション光
• 数MeVα線 で０（１０３）
個の光子生成
⇒中性子検出器のtrigger
へ
⇒実際に十分な量が検出
可能か？
放射線計測ハンドブック
（G.F.Knoll著)より引用
２．使用機器
• マントル
• PMT二本(詳細は後ほど）
• 真空耐圧容器 0~2 atm
• 黒い画用紙、反射材
• ガス(Kr、Xe) 3回Flush 1atm
→お金がかかったのはPMTだけ
21cm
反射材 / 黒画用紙
9cm
PMT
マントル
2-1.α線源
トリウム系列
・マントル：ランタンの発光
体。トリウムが添加され
ているものが多い。トリウ
ムは放射線壊変に伴っ
て4~9MeVのα線を出す。
６ｃｍ
捨てても大丈夫
TOKYU HANDSで3個\700
(単位はMeV)
2-2.PMT
•
•
•
•
浜松フォトニクス社製
Ｈ３６９５ｰ１９
光
光電面直径8mm
電
6
GAIN 1.1×10 (-1250V) 面
放
（カタログ値）
射
感
• 波長帯域の広いものを選 度
んだ
(mA/W)
透過型光電面分光感度特性
量子効率
20%
9.5cm
320
波長(nm)
2-3. 測定環境
オシロ
スコープ
HV
-1400V
-1500V
信号が見えました
• 二本のPMT（HV-1400V，
-1500V）から同時の信
号
• PMTからのシグナル
高速 5ns 10～200mV
⇒何かが光っている。
6ns
30mV
20mV
2-4.データ取得システム
•
•
•
•
•
•
増幅回路(Charge Amp)
信号分岐（F.I.Oモジュール）
Discriminator
Coincidence（暗電流対策）
Gate generator
QDC (V792)
2-4-1.増幅回路
• ＬM７１７１
高速オペアンプ
6 ns
20 mV
(スルーレート4100 V/μs)
• Charge Sensitive型
Charge 130倍
50 mV
300 ns
2-4-2.QDC V792
ADCchannel値とChargeの関係
•Calibrationをする。
→パルスの作成
F.G.からの矩形波を微分
矩形波のPulse Heightで
ADCに入る電荷量を調整
時定数
10pF×50Ω
=0.5ns
実際は
~100ns
400mV
3V
100ns
23-pin
28-pin
352.7channel
230.5channel
23-pin
Q=0.45x+88.6
Q=0.29x+44.7
28-pin
160ch以下
Q=0.37x+28.7
マニュアル値：400pC⇔4096ch→1pC⇔10.24ch
Signalが高速なので減衰している
2-5.PMTの絶対GAIN
• パルス暗電流の最大＝one-photo-electron相当
⇒one-photo-electronに対応するADC channelを調べ
る。
• 印加電圧はPMT Aは-1500V、PMT Bは-1400V。
PMT＋アンプ 絶対GAIN
40ch
PMT A
40ch
PMT B
(40±5)ch→(44±2)pC
1.6×10-7pC×PMTGAIN×AMPGAIN=(44±2)pC
AMPGAIN=130±10
⇒
PMTGAIN=1.9×106~2.4×106
光もれではありません
３．スペクトル測定
Kr＋マントル＋黒画用紙
PMT A
PMT B
Kr + マントル +反射材
1.3倍
約1.3倍の集光率
3-1.マントルのα線以外の成分
μ
マントルの放射線か？
容器内壁の放射線？
85Krの自発放射は？
外部からの放射線は？
MIP
αβγ
βγ
Kr
αβγ
宇宙線ミューオンが1cm走ると約5keV落とす
3-2.マントルのα線のみを
とりだすには？
• トリウム系列で最もエネルギーの μ
高いα線の、ポリエチレン中におけ
る飛程
→80μm
• 1MeVのβ線のポリエチレン中にお
ける飛程
→4400μm
αβγ
ゴミ袋4枚（100μm）で
マントルのα線のみが
遮蔽される
βγ
Kr
αβγ
3-3.α線のスペクトル
Kr + マントル + 黒画用紙
のスペクトルから
Kr + マントル + 黒画用紙
+ ゴミ袋
を引く
3-4. QDCのchannel
→photo-electron数
N p.e.
N・G・e・Att. [pC]
G: GPMT × GAMP
e: 素電荷
QDCchannel値と
Chargeの関係
QDCのchannel
逆算するとch→p.e.の変換が可能
3-4. QDCのchannel
→photo-electron数
3-5. KrとXe
10.5 Hz
Xeの方がよく光っている。
14.8 Hz
②Bragg curve (ｂｙ
SRIM)
４．シミュレーション
Kr
Xe
①測定環境のモデル化
① 測定環境のモデル化
② 発光量 （bragg
curve）
③ 立体角
④ マントル内部構造
容器の壁面での反射はない
③PMT光電面を見込む立体角
• ｚ軸対称性
• r-z依存性
Z=-1cm
容器の中を走らせる。
• 一定の初期エネルギー
• ランダムな直線軌跡
• 発光光子数はエネルギー
損失に比例
• PMT入射光子数
=発光光子数×立体角/4π
④マントルから出てくる
α線エネルギー
• マントルの素材は6-6
ナイロン
• 飛程 最大８０μｍ
• 初期エネルギーはトリ
ウム系列中のアル
ファ
８４％のα線は吸収される
以上の条件のもとのシミュレート
の結果
107cts
実験データとの比較
Krの場合（量子効率0.2±0.04）
N×(0.26±0.05) ×(0.2±0.04)
=（22±4.4 ）
0. 26±0.05
3800±1900events
１MeVあたり400±150個の光子が
生成
(107×600÷3800) ÷2000=800
800±660個のα線が毎秒放出
Xeの場合
１MeVあたり1100±400個の光子生成
6000±5400個のα線が毎秒放出
cts/2000s
22±4.4 p.e
600±400events
p.e
p.e
５ 結果
5-1. 中性子検出器のトリガー
• n+3He→p+3H 764keV
• α線と同等のシンチレーション効率をもつと仮定
すると
⇒Kr 400±150[photons/MeV]×0.764 [MeV]
=300±100[photons]
⇒Xe
850±300[photons]
のシンチレーション光子が放出される
PMTに入射するphoton数を１０以上確保するには
⇒Kr ５％ Xe ２％ の立体角で十分
5-2 マントルのトリウム含有量
• マントル中から出てきたアルファ線の量
解析結果より⇒
Kr 800±660Hz Xe 6000±5400Hz（表面 厚さ80μm内のみの寄与）
600Hz~1400Hz
トリウム原子数N＝崩壊速度A [/s] ×半減期T[s]/ln2
T=4.4×1017 [s]
A=（1000±400）/ (6×16%)[/s]←シミュレート結果より見積もり
N=（6.6±2.6）×1020
マントル全体（（300±50）μm）で
(2.4±1.3)×1021 個のトリウム原子核
トリウムの原子量 232 → 質量換算 920±500mg
マントル一枚の重量 1.3g → 今実験では二枚使用2.6 g
質量比
（35±19）%
まとめ
• 希ガスのシンチレーション光が見えました。
• μ-TPC中性子検出器のトリガーとして希ガ
スシンチレーションが利用可能です。
• マントルに含まれるトリウム量も見積もりま
した。15~50%