平成15年度課題研究 P 6 希ガスシンチレータ班
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平成15年度課題研究 P 6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
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目次• 動機• セットアップ• 測定• 解析• 結論
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• 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
1.動機μ-PIC を用いた TPC のトリガーが欲し
い
μ-TPC
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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
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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
9cm
21cm
反射材 / 黒画用紙
マントル
PMT
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2-1.α 線源 ・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
トリウム系列( 単位は MeV)
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2-2.PMT透過型光電面分光感度特性
光電面放射感度
(mA/W)
量子効率
波長 (nm)
9.5cm
• 浜松フォトニクス社製• H3695 19ー• 光電面直径 8mm• GAIN 1.1×106 (-1250V)
(カタログ値)• 波長帯域の広いものを
選んだ
320
20%
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2-3. 測定環境 HV-1400V-1500V
オシロスコープ
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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 ~ 20
0mV
⇒ 何かが光っている。
6ns
30mV
20mV
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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)
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2-4-1. 増幅回路
• L M 7171 高速オペアンプ( スルーレート 4100 V/μs)
• Charge Sensitive 型Charge 130 倍
300 ns
50 mV
20 mV
6 ns
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2-4-2.QDC V792
100ns
400mV
3V
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
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352.7channel
23-pin
230.5channel
28-pin
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160ch以下Q=0.37x+28.7
Q=0.45x+88.6
Q=0.29x+44.7
23-pin
28-pin
マニュアル値: 400pC⇔4096ch→1pC⇔10.24ch
Signal が高速なので減衰している
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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 。
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PMT+アンプ 絶対 GAIN
(40±5)ch→(44±2)pC 1.6×10-7pC×PMTGAIN×AMPGAIN=(44±2)pC
40ch 40ch
光もれではありません
PMT A PMT B
AMPGAIN=130±10
⇒ PMTGAIN=1.9×106~2.4×106
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3.スペクトル測定Kr+マントル+黒画用紙
PMT APMT B
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Kr + マントル + 反射材
1.3 倍
約 1.3 倍の集光率
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3-1. マントルの α 線以外の成分
μ
Kr
αβγ
βγαβγ
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
宇宙線ミューオンが 1cm走ると約 5keV落とす
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ゴミ袋 4枚( 100μm)でマントルの α線のみが
遮蔽される
βγKr αβγ
μ
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
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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
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3-4. QDC の channel → photo-elec
tron 数
N p.e.e: 素電荷G: GPMT × GAMP
N ・ G ・ e ・ Att. [pC]
QDC の channelQDCchannel 値とCharge の関係
逆算すると ch→p.e. の変換が可能
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3-4. QDC の channel → photo-elec
tron 数
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3-5. Kr と Xe
Xe の方がよく光っている。
10.5 Hz 14.8 Hz
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4.シミュレーション
① 測定環境のモデル化② 発光量 ( bragg cur
ve )③ 立体角④ マントル内部構造
① 測定環境のモデル化
②Bragg curve (by SRIM)
容器の壁面での反射はない
Xe
Kr
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③PMT 光電面を見込む立体角
• z軸対称性• r-z依存性Z=-1cm
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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
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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80 μ m• 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
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以上の条件のもとのシミュレートの結果
107cts
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実験データとの比較0. 26±0.05
22±4.4 p.e
3800±1900events
600±400events
p.e
cts/2000s
Kr の場合(量子効率 0.2±0.04 )
N×(0.26±0.05) ×(0.2±0.04)
= ( 22±4.4 )
1 MeV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1 MeVあたり 1100±400 個の光子生
成 6000±5400 個の α 線が毎秒放出
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p.e
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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 結果
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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 ) %
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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%