Transcript pptx - KEK

２００９年３月３０日
日本物理学会 第６４回年次大会
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30aSG-6
東大理、理研A、東大ＣＮＳB
宇都宮和樹、青木和也A 、井澗勇気、
小沢恭一郎、郡司卓B 、小松雄哉、
四日市悟A 、渡辺陽介
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開発背景
中性子検出器の概要
中性子検出器の性能評価
• Fuji test beamline (KEK)でのビームテスト
• FLUKAシミュレーション
• 低エネルギー中性子に対する反応評価
今後の開発
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• J-PARC実験
– 原子核中でのω中間子の質量変化
– ω中間子の原子核束縛状態
p- + A 
+n+X
p0 + 
+
中性子検出器
ガンマ線検出器
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• 中性子検出器に求められる性能
中性子
2GeV
～７ｍ
π中性子検出器
Target 荷電粒子
３０cm
２０cm
Stopped ωを測定
０度方向の中性子を、
小立体角で検出
ガンマ線検出器
両読み
Scintillation
Counter
６本×４層
Time of Flight(TOF)
により中性子を検出
ビーム
•時間分解能
３０cm
８０ps以下
•検出効率(Efficiency)
３０%
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• 中性子検出器の構成
<Light Contact>
オプティカルグリース
PMT(光電子増倍管)
浜松ホトニクスH2431-50
H7195
H1949- H2431H6410
51
50
上昇時間 [ns]
2.7
1.3
0.7
2.7
走行時間 [ns]
40
28
16
40
走行時間拡がり
[ns]
1.1
0.55
0.37
1.1
高い時間分解能が出せる
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• 中性子検出器の構成
５種類をテスト
５×５×３０cm
Plastic Scintillator
(SAINT-GOBAIN CRYSTALS)
BC404 , BC408 , BC 412 , BC416 , BC420
Light Output, %Anthracene
Rise Time [ns]
Decay Time [ns]
Pulse Width, FWHM [ns]
Wavelength of Max, Emission
[nm]
Light Attenuation Length [cm]
Bulk Light Attenuation Length
[cm]
Effective Light Output
種類によって光量や
減衰長が異なる
BC404
68
0.7
1.8
2.2
BC408
64
0.9
2.1
~2.5
BC412
60
1.0
3.3
4.2
BC416
38
4.0
5.3
BC420
64
0.5
1.5
1.3
408
425
434
434
391
140
210
210
210
140
160
380
400
400
110
61.9
61.5
57.8
36.6
55.8
適当なものを選ぶ
必要がある
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（１）BC408
BC416
Trig
テストするScintillator２本
両読みTrigScinti(PMT-H2431)
ビーム
３回のテスト
（１）BC408&BC416&Trig
（２）BC404&BC412&Trig
時間差を距離０で測定。 （３）BC420&BC408&Trig
ビームのMomentumの揺
らぎの影響を抑える。
１回のテストで３つのTOFの
ヒストグラム。
BC408-BC416
BC408-Trig
BC416-Trig
この分布からσを求める。
Slewing
Correction後
8
テスト（１）
組み合わせ
σ[ps]
BC408&BC416 76.63
BC408&Trig 63.58
BC416&Trig 88.83
テスト（２）
組み合わせ
σ[ps]
BC404&BC412 63.83
BC404&Trig 62.55
BC412&Trig 83.58
テスト（３）
組み合わせ
σ[ps]
BC420&BC408 56.03
BC420&Trig 63.44
BC408&Trig 69.57
80psをきる分解能
例：テスト（１）
σBC408&BC4162 = σBC4082 + σBC4162
σBC408&Trig2 = σBC4082 + σTrig2
σBC416&Trig2 = σBC4162 + σTrig2
σBC408 , σBC416 , σTrig
がそれぞれ求まる。
一つのScintillatorでも50psをきる分解能(10~20psの系統誤差)
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• MonteCarlo Simulation package FLUKA(Ver.2008.3)
pn(total)の断面積≒40[mb]
Scintiに含まれるＨの数
≒5.2×1022[個/cc]
シンチ単体では４層重ねても、
8%くらいの検出効率しかない。
２
２GeV中性子
鉛鉄
鉛や鉄の厚さを変えて、
出てくる粒子のエネルギー
分布をシミュレーション
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• 結果
Proton
１ｃｍの厚さの時の
１中性子あたりの反応
ビーム
鉛
鉄
陽子
5.0%
5.2%
π中間子
0.93%
1.2%
光子
2.0%
2.1%
•Scintillator４層8%
•鉄４層20.8%
ビーム
検出効率
約28.8%
今後、厚さと時間分解能の
最適化を図る。
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中性子ＯＮ
Stop
Start
Stop
Scinti
Start
Cf-252
中性子ＯＦＦ
パラフィン
種類に
よって３
倍ほどの
差が表れ
た。
反応した中性子の
rateからScintillatorの
検出効率を比較
Start
BC408
BC408
BC404
BC404
BC420
BC408
BC420
BC408
BC416
Stop
BC420
BC404
BC408
BC420
BC404
BC420
BC408
BC416
BC408
rate[Hz]
0.325
0.760
0.561
0.481
0.496
0.447
0.372
0.276
0.361
低エネルギーではあるが、
中性子に対して感度がある。
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• 鉄(鉛)を挿入した時の時間分解能の評価
(厚さと時間分解能の最適化)
– Geantを使ったＴＯＦシミュレーション
– 高エネルギー中性子ビームを使ったビームテスト
• 外装設計
– PMT６×４層×２(両読み)＝４８個
は入手済み
– Scintillator (BC404) ２４本を発注
– 外枠・支え等
中性子検出器製作！
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中性子検出器目標性能：時間分解能80ps以下
検出効率(Efficiency) 30%
• ビームテストで時間分解能が測定できた。
→組み合わせ80ps以下(単体50ps以下)
• FLUKAシミュレーションで検出効率を評価した。
→28%程度
• Scintillatorの種類によって低エネルギー中性子に
対する反応の違いがあることが確認できた。
• 鉄(鉛)を挿入して中性子に対する時間分解能・検
出効率を評価する。
• 実機製作。
以上
SAINT-GOBAIN CRYSTALS
カタログより
BC404 BC408 BC412 BC416 BC420
Light Output, %Anthracene
68
64
60
38
64
Rise Time [ns]
0.7
0.9
1.0
0.5
Decay Time [ns]
1.8
2.1
3.3
4.0
1.5
Pulse Width, FWHM [ns]
2.2
~2.5
4.2
5.3
1.3
Wavelength of Max, Emission
408
425
434
434
391
[nm]
Light Attenuation Length
140
210
210
210
140
[cm]
Bulk Light Attenuation
160
380
400
400
110
Length [cm]
No. H Atoms [×1022/cc]
5.21
5.23
5.23
5.25
5.21
No. C Atoms [×1022/cc]
4.74
4.74
4.74
4.73
4.74
Ratio H:C Atoms
1.100 1.104 1.104 1.110 1.100
No. of Electrons [×1023/cc]
3.37
3.37
3.37
3.37
3.37
Effective Light Output
61.9
61.5
57.8
36.6
55.8
SAINT-GOBAIN CRYSTALS
Light Output, %Anthracene
Rise Time [ns]
Decay Time [ns]
Bulk Light Attenuation
Length [cm]
Effective Light Output
カタログより
BC404 BC408 BC412 BC416 BC420
68
64
60
38
64
0.7
0.9
1.0
0.5
1.8
2.1
3.3
4.0
1.5
160
380
400
400
110
61.9
61.5
57.8
36.6
55.8
BC404 > BC408 > BC420 (> BC412) > BC416
低エネルギー中性子に対する反応評価より
BC404 > BC408 > BC420 > BC416
CsI EMCalorimeter
T-violation’s one is assumed “at this moment”.
（D.V. Dementyev et al., Nucl. Instrum. Meth. A440(2000), 151）
21 MeV/c2
29 MeV/c2
ΔＥ/E = 1.62%/√E + 0.8%
ΔＥ/E = 3 %/√E (conservative)
Acceptance for  is evaluated as 58%.