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反跳電子計測のための
APD,プラスチックシンチレータ
を用いた実験
P6 γ班
土屋優悟
増田 周
水谷宗隆
実験目的
MeV領域ガンマ線観測による宇宙未解決問題の解明
･超新星残骸での元素合成
不安定な同位体からの崩壊 → MeVガンマ線
元素合成の過程の解明
･宇宙線起源の問題
ガンマ線を作る加速粒子が電子か、陽子かを識別
ガンマ線がπ0中間子起源の場合、必ず約70MeVにピークを持つスペクトル
→ 陽子起源のガンマ線と確認できる。
陽子由来のγ
電子由来のγ
⇒MeV領域のガンマ線からは重要な情報が
得られるため、感度の良い検出器の開発が
強く望まれている。
GeV
実際の観測
コンプトンガンマ線観測衛星
CGRO / COMPTEL
0.8MeV～30MeV
フェルミガンマ線宇宙望遠鏡
FERMI / LAT
20MeV～300GeV
コンプトン法を使った検出方法
・散乱の起こる位置
・反跳電子のエネルギー
・散乱ガンマ線の位置とエネルギー
を測定できる。
＜問題点＞
ガンマ線の到来方向に関して円周を決定することはできるが
電子の反跳方向に関する情報は失われているため
1光子に対してそれ以上の到来方向を知ることは不可能！
電子飛跡検出型コンプトンカメラ
Electron Tracking Compton Camera（ETCC）
散乱電子の方向とエネルギー
→ Micro-TPC
(ガス検出器)
反跳ガンマ線の位置とエネルギー
→ シンチレータ位置検出器
⇒入射ガンマ線のエネルギーと
到来方向も決定できる
e－
(10cm角TPCで)100keV以上の
エネルギーを持つ反跳電子は
TPC外へ
反跳電子をTPC内部の
プラスチックシンチレータで吸収
e－
’
散乱ガンマ線
→無機シンチレータ(GSO)
TPC
シンチレータ光の読み出し
→APD(Avalanche Photodiode)
APD
High Energy mode ETCC
30cm cubic TPC
High Energy Mode
High Energy
Mode
逆
増倍領域
実際のAPD
10cm
10mm×10mm
型番：浜松フォトニクス
(S8664-1010)
倍増率：50
15.5cm
PHADCの電圧校正
FunctionGeneratorからピーク電圧の決まった波形
を入力し、それに対するADC値を調べ、
校正曲線を作った。 (0.2789mV/ADC)
3
電 2
圧
1
ＡＤＣ
ブロックシーケンス
約1ms,1pF
PreAMP
APD
0.5μs
Shaper
UNI
Li F/F
PHADC
VME(PC)
INPUT 0
GATE
INPUT OUT
OUT
電荷有感型
Discriminator
400V
VIAS supply
RPV130
Veto信号
FIN1
OUT 1
STOP
OUT
IN
VETO
OUT
IN
Lo F/F
Gate信号
START
START
OUT
Gate Generator
5.7μs
TIMING CHART
threshold
1μs程度
Discri 0
1
Gate 0
5.7μs
1
0
RPV Stop
1
Veto 0
1
140μsec
オシロで見た実際の波形
APDからの信号
Gate
Gate信号
信号
２４１Ａｍ
350mV
ｔｈ９０ｍＶ
Ｇａｉｎ１．０×１００
140μsec
Veto 信号
Veto
信号
S/Nの改善
241Am(59.5keV)、109Cd(88.0keV)
のピークは見えたが、
133Ba(31keV)、139Ce(33.4keV)、57Co(14.4keV)
の低エネルギー帯のピークはノイズに埋もれて
見えなかった。
S/Nの改善
その時点でのノイズは40mV(p-p)だった。
そこでそれらを見るためにさらにノイズを落とす
ことにした。
ノイズ落とし
APDのグラウンドの強化
APDを入れた遮蔽箱を開け、中の接地面積を
増やしてグラウンドを取り直した。
↑ノイズ落とし前裏面
←ノイズ落とし前内部
ノイズ落とし
シールド線を入れ
てグラウンドの接
地面積を増やした
↑ノイズ落とし後内部
ノイズ落とし
導線の接続のはんだ付け
金属網での端子付近と同線の固定
ノイズ落とし
133Ba
グラウンドの強化によるノイズ落としをしたところ、
ノイズが20mV(p-p)まで落ちた。
再び測定するも30keV代のピークは見えなかった。
ノイズ落とし前
Counts/sec
バックグラウンド
V
th20mV GAIN10
ノイズ落とし後
Counts/sec
バックグラウンド th10mV GAIN10
V
エネルギー校正
241Amと109Cdのピークは取れたので、
二つのピークと、線源を用いずに測定したADCの
0voltの値を用いてキャリブレーションを行った。
241Amと109Cdの測定結果
Counts/sec
550
Counts/sec
Gain 0.5×20
Threshold 20mV
Am
2300
ADC
ADC
Gain 1.0×100
Gain 0.5×20
650
Threshold 20mV
Counts/sec
Counts/sec
Gain 1.0×100
Cd
ADC
3300
ADC
キャリブレーション
Gain0.5×20
keV
求められた校正曲線
ADC
キャリブレーション
Gain1.0×100
keV
求められた校正曲線
ADC
キャリブレーション
Counts/sec
241Am(counts/sec-keV)グラフ
keV
キャリブレーション
Counts/sec
109Cd(counts/sec-keV)グラフ
keV
デッドタイム
デッドタイム
241Am(th20mV,Gain10)の測定時に
140μsec/countのデッドタイムが
かかっていた。
Count数:100000count
AmのTotalDeadtime/realtime = 14sec/30min
≒ 0.7%
Amの測定においては
realtime≃livetime
エネルギー分解能
エネルギー分解能=ΔE/E=FWHM/PEAK
(FWHM=半値全幅)
・Gain0.5×20の時
241Am(55.9keV):25.6±2.1
109Cd(88.0keV)
%
:23.1±4.2 %
・Gain1.0×100の時
241Am(55.9keV):24.8±2.4
109Cd(88.0keV)
%
:22.1±2.3 %
エネルギー分解能
エネルギー分解能グラフ
分解能の考察
分解能の理論値＝ ⊿E
E

F(fano-factor: 0.12)
SiのW値＝3.76(eV) とすると
FW
E
59.5keV:0.275%
88.0keV:0.226%
測定結果
Am(55.9keV):25.6±2.1%, Cd(88.0keV) :23±4 %
に比べ、大幅に分解能が悪い結果になった。
昨年のガンマ班のpptによると、昨年の測定では
59.5keV：52.6±6.9％
88.0keV：48.1±16.0%
ステータス
１０cm×1.5cm×1.5cm
透明/ファイバー無し
側面白塗装/ファイバー有り
全面白塗装/ファイバー有り
プラスチックシンチレータ
1.5cm×1.5cm
APDの光電面に光学グリスを塗り、プラスチックシンチレータ
接触させた
10cm
テフロンテープ＋
遮光用黒ビニールテープ
プラスチックシンチレータ
実験装置の概観図
プラスチックシンチレータ
鉛板を乗せた状態
セットアップ概要図
source
source
l=3cm
プラスチッ
ク
シンチレー
タ
鉛板 h=2.5cm
h=5cm source
遮蔽箱
APD
ヒストグラム
90Sr,60Coを用いて測定を行い、ヒストグラム
を作成した。
BGと比べてSr,Coでのcount rateが
明らかに変わった。
ヒストグラム
Counts/sec
BG th160mV GAIN100
ADC
ヒストグラム
Counts/sec
Sr th160mV GAIN100
ADC
ヒストグラム
Counts/sec
Co th160mV GAIN100
ADC
ヒストグラム
Counts/sec
線源の位置による変化
keV
デッドタイム
デッドタイム
Count数:100000count
SrのTotalDeadtime/realtime = 14sec/20sec
≒ 70%
realtime ≠ livetime
まとめ
• APDを使ってAm等の線源を観測し、スペクトルを得た。
• ある程度ノイズを除くことができたが、109Cd,139Ceなど
の低エネルギー帯のピークを観測することはできなかっ
た。
• 241Am,109Cdのピークを元にキャリブレーションを行い、
エネルギー分解能を求めた。
Gain1.0×100 241Am(55.9keV):24.8±2.4 %
109Cd(88.0keV)
:22.1±2.3 %
• さらなる分解能の改善が必要。
• プラスチックシンチレーターの接続や遮光をした。
• プラスチックシンチレータをAPDにつなぎ、Srなど
のベータ線源を観測した。位置に依存する適当な変化
が見られた。
今後の展望
• ノイズの原因究明
Shaper以前のADCもしくはPreAmpでのノイズを落とす
• プラスチックシンチレーターの比較
他の種類のプラシンでも計測をし性能を比較してみる
プラシンの分解能を調べる。