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CALETで用いる電荷弁別型検出器
(CHD)のビーム実験による性能評価
渡邊仁規，赤池陽水，伊藤大二郎，植山良貴，小澤俊介，笠原克昌，苅部樹彦，
九反万理恵，近藤慧之輔，鳥居祥二，中村政則，仁井田多絵，二宮翔太，舟橋良輔，
田村忠久A，片寄祐作B，清水雄輝C，内堀幸夫D，北村尚D，P.S.MarrocchesiE,M.G.BagliesiE，
G.BigongiariE，S.BonechiE，M.Y.KimE, P.MaestroE
早大理工研，神奈川大工A，横国大工B，JAXAC，放医研D，Univ. of SienaE
発表の流れ
CALET-CHD(CHarge Detector）
セグメント化されたプラスチックシンチレータをX-Yに積層
→IMCでの粒子入射位置特定により、後方散乱の影響可能な限り除去
重原子核観測内容
・一次核 (1≦Z≦26) (～1000 TeV/particle)
・超重核 (26＜Z≦40)
・二次核/一次核比(B/C) (～TeV/n)
プロトタイプ試験
HIMAC重イオン照射
→重イオンにおけるクエンチング効果を考慮した電荷分解能の算出
CALET実観測における原子核成分測定の基礎データとする
CALET-CHD概要
上面
450
•
•
•
CHD(CHarge Detector):電荷検出器
プラスチックシンチレータ（EJ-204）とアクリル製ライトガイドで接続
光電子増倍管(R11823)で信号読み出し
x軸、y軸にそれぞれ14本積層
32 mm
84 mm
側面
450 mm
450
浜松ホトニクス社製光電子増倍管
R11823(R7400ベース)
Φ8 mm,Bialkali
Photo cathode
Peak wavelength
420 nm
Rise Time
0.78 ns
Gain @ -400 V
5000
Q.E
30%
ELJEN社製プラスチックシンチレータ
EJ-204 カタログ値(BC404相当)
Size
450×32×10 mm3
Wavelength of Max 408 nm
Rise Time
0.7 ns
Decay Time
1.8 ns
Scintillation
10400 photons/MeV
Efficiency
Attenuation length
1600 mm
Density
1.032 g/cm2
CALETによる観測（5年間）で期待される原子核成分観測
B/C比：伝播過程
超重核：超新星爆発での元素合成過程
P , He 及び 一次核 (C,O,Ne,Mg,Si,Fe)→伝播機構
C
O
Ne
Mg
Si
Fe
HIMAC実験概要
放射線医学総合研究所 重イオン加速器 HIMAC 物理汎用（PH2）ビームライン
BEAM
Trig1,2
Trig1:トリガー用プラスチックシンチレータ
(65×65×0.5 mm3)
Trig2:トリガー用プラスチックシンチレータ
(100×100×0.2 mm3)
Target(Acrylic)
BEAM
Trig1 Trig2
0
15 30
Target(Acrylic)
CHD
Target(Acrylic):破砕核を生成するための
アクリル(1cm厚)
→核破砕により二次核生成
SIA
SIA
CHD:プラスチックシンチレータ
CHD
SIA:ビーム位置特定用シリコンストリップ
(0.732 mm間隔)
→CHDに入射する粒子の位置特定
35
実験装置配置図(2011.12)
155
(cm)
データ収集系セットアップ
・CHDの信号読み出しはCALET相当のアンプを使用
–
ダイナミックレンジ確保のため，Shaping Ampのゲインを３系統に
・Trig1, 2はCS-ADCにて読み出し
・SIA(シリコンストリップ+シリコンピクセル)はUSBにて制御・読み出し
fC/ch
Ped
High Gain
1.14
213.2
Middle
Gain
3.64
47.34
Low Gain
7.29
164
Middle Gain：CALETのダイナミックレンジ相当
DC-PW ±12V
CAMAC
Shaping Amp.
CHD(-420 V)
Pre Amp
Trig1(-1500 V)
Discri(-30 mV)
Divider
High gain
Middle gain
Low gain
Low
gain
Gate
Generator
Coincidence
Trig2(-1400 V)
Discri(-50 mV)
USB接続
QDC
CPU
VME
PH-ADC
16bit
LAN
SIA
照射ビーム概要
• Si (Z=14, 800MeV/n), Kr (Z=36), Ge (Z=32), Fe (Z=26) (各500MeV/n)を破砕
前の1次核として照射
• ビーム強度：〜250event/spillに調整（Cycle 3.3s, flat top 0.7s）
• ビーム広がり：1~2cm
Si 800 MeV/n
約3.5×105 Events
10 mm
Si
エネルギー
[MeV/n]
Kr
Ge
800
～2cmΦ
ビーム強度
~250counts/spill
~3.5×105
~7.0×105
~1.0×105
Ge 500 MeV/n
約1.0×105 Events
~4.0×105
10 mm
照射時期
2011.5
10 mm
500
ビーム
サイズ
イベント数
Fe
Kr 500 MeV/n
約7.0×105 Events
Fe 500 MeV/n
約4.0×105 Events
10 mm
2011.12
SIA内のシリコンストリップ検出器にて測定した
各1次核種照射時のビームプロファイル
破砕核によるCHDのADC分布(Raw Data)
アクリルターゲットによる破砕核
– 各核種による出力ピーク→電荷
– 各ピークの分布の幅→電荷分解能
多重入射イベントを含む
Kr(36)
Fe
Ge(32)
Ge
Fe
Kr 500 MeV/n
7.0×105 Events
Ge 500 MeV/n
1.0×105 Events
ADC counts [ch]
Si
Fe(26)
ADC counts [ch]
He
C NO
Si(14)
Si 800 MeV/n
3.5×105 Events
Fe 500 MeV/n
4.0×105 Events
ADC counts [ch]
ADC counts [ch]
多重入射イベントの選別
電荷分解能向上のため、多重入射したイベントの選別を行う
複数の破砕核がCHDに同時に入射
→入射電荷量が不確定になる
シリコンストリップ検出器を用いてイベント選別
複数の破砕核が同時に入射
多重入射イベント選別方法
• 較正用に照射した陽子230 MeVにて
電荷入射時の1チャンネルあたりの閾
値を決定（→17 ADU）
• プラスチックシンチレータとシリコンスト
リップが重なる範囲で2チャンネル以上
の出力があった場合、多重入射イベン
トと判定
→解析イベントから除去
17ADU
プラスチックシンチレータと
シリコンストリップが重なる領域
多重入射イベント除去後のADC分布
Fe
Kr(36)
Ge
Ge(32)
Ge 500 MeV/n
1.0×105 Events
Fe
Kr 500 MeV/n
7.0×105 Events
ADC counts [ch]
ADC counts [ch]
Fe(26)
Si(14)
O
C N
Si
Fe 500 MeV/n
4.0×105 Events
ADC counts [ch]
Si 800 MeV/n
3.5×105 Events
ADC counts [ch]
多重入射イベントの除去により、分解能が改善
破砕核の電荷量と電荷分解能
Kr 500 MeV/n
約7.0×105 Events
Ge
Ge 500 MeV/n
1.0×105 Events
Fe
Fe
ADC counts [ch]
Fe 500 MeV/n
約4.0×105 Events
ADC counts [ch]
Si 800 MeV/n
5O
約3.5×10
C N Events
Si(14)
O
C N
Si 800 MeV/n
3.5×105 Events
Si
ADC counts [ch]
ADC counts [ch]
各破砕核のピークを求めるため、とありあうピークを含む3つのガウス関数でフィット
観測に必要なクエンチング効果の検証
プラスチックシンチレータは、入射粒子のエネルギー損失dE/dxに比例した発光量を示す
が、電荷Zの増加に伴い、発光量dL/dxはdE/dxに比例しなくなる
→CALETでZ を求める際、クエンチング効果の補正が必要
クエンチングに関する補正
Birksの式*
dE/dxに比例せずクエンチングが起こる
dL
dx

Tarleの式*
dE/dxの一部の割合fhがクエンチングの効果を受けない。
A ( dE / dx )
dL
1  B S ( dE / dx )
dx
A:シンチレーション効率
Bs:特定のシンチレータに対する実験デー
タに合うように調整するパラメータ
*Tarle et.al, The Astrophysical Journal 230(1979)pp.607

A (1  f h ) dE / dx
1  B S (1  f h ) dE / dx
第１項
原子核に近い領域（コ
ア）を通過した重粒子
によるクエンチングの
効果で減光したシンチ
レーション光
 Af h
dE
dx
第2項
粒子入射時、コアの周
り（ハロー）に飛散した
電子などのシンチレー
ション光
これまでの実験から得られたクエンチングはTarleの式に従う
→重イオン観測時のクエンチングカーブで検証
シミュレーションを用いてADC値と対応する損失エネルギー量を算出
シミュレーションによる損失エネルギー算出
シミュレーションコード PHITSによる計算
横軸ΔE：破砕核がCHDに付与したエネルギー
Kr 500 MeV/n
1.2×105 Events
Fe
Ge
Kr(36)
Ge 500 MeV/n
5.0×104 Events
Ge(32)
Fe
ΔE [MeV]
Fe 500 MeV/n
4.0×105 Events
Fe(26)
Si
ΔE [MeV]
Si 800 MeV/n
4.0×104 Events
C O
ΔE [MeV]
各破砕核のΔEピークを求めるため、実験と同様ガウス関数でフィット
Si(14)
ΔE [MeV]
重イオン観測時のクエンチング効果
各ZのADC値と損失エネルギー量を対
応させ相関をTarleの式にてFit
ADC [ch]
共同研究者によるGSIでの先行実験と
大きく矛盾しない結果
●：Kr
●：Ge
●：Fe
－：GSI
イタリアの共同実験グループによるGSIでの
CHD性能検証実験
dE/dx [MeV･cm2/g]
Z≧40も観測可能
A=31.31としたとき、HIMAC実験とGSI実験で
のfhとBsの値を比較
ドイツ・GSIにおいて，Niを一次核として
破砕核を選択的に照射．
エネルギーは1.1~1.3GeV
HIMAC
GSI
fh
0.39±0.01
0.36±0.01
Bs [MeV-1･g･cm-2]
(8.12±0.4)×10-
(8.0±0.3)×10-
3
3
電荷分解能
電荷分解能を左式のように定義し，各
Zにおける電荷分解能を算出
R 
R:電荷分解能
σZ:分散値
μZ:ピーク値
Z
 Z 1   Z
0.4
0.35
Charge Resolution
0.3
0.25
0.2
Si
Fe
Ge
Kr
GSI
0.15
0.1
0.05
0
0
5
10
15
20
Z
25
30
Fe核以上の分解能を算出→超重元素の観測が可能
35
40
まとめと今後の課題
CALET-CHDの観測性能検証
• HIMACにて重イオン照射試験
 Si、Fe、Kr、Geビームをアクリルターゲットにて破砕
• 電荷分解能
→隣接角からの漏れ出しを考慮し、3つのガウス関数でフィットして算出
 Z = 5~20 電荷分解能ΔZ =0.23
 Z = 21 ~ 26
ΔZ = 0.25
 Z = 28~36
ΔZ = 0.35
• クエンチング効果
 専攻のGSIにおける実験＋シミュレーションと一致し、Tarleの式に従う
今後の課題
 照射原子核のCHD入射前のエネルギー損失の不確定性の定量的検討
（照射粒子のβが低いため、エネルギー損失の揺らぎが大きい）
 マルチヒットの弁別精度向上
（シミュレーションによる検証）
 CERN-SPSにおける相対論的エネルギーでの重粒子照射(2012)
END
Fe 500MeV/n Fit
Fe 500 MeV/n
4.0×105 Events
Fe 500 MeV/n
4.0×105 Events
Fe 500 MeV/n
4.0×105 Events
Fe 500 MeV/n
4.0×105 Events
Fe 500MeV/n Fit
Fe 500 MeV/n
4.0×105 Events
Fe 500 MeV/n
4.0×105 Events
Fe 500 MeV/n
4.0×105 Events
Fe 500 MeV/n
4.0×105 Events
シミュレーションによる
破砕核のエネルギー損失の算出
PHITSを用いたシミュレーションで核破砕
によるエネルギー損失を求める
Krの二次核分布
Se
Kr
dE/dx(MeV)
電荷Zの２乗とエネルギー損失の関係
Se
同様の手順でFe、Geについても算出
21
dE/dx(MeV)
Fe
500MeV/n
Kr
500MeV/n
Ge
500MeV/n
2.96MeV
3.05MeV
3.02MeV