TA 実験 131大気蛍光望遠鏡キャリブレーションのた

めの小型線形加速器の開発

2007 年 9 月 24 日芝田達伸

池田大輔、池田光男、榎本收志、大沢哲、 柿原和久、佐川宏行、 佐藤政則、設楽哲夫、 杉村高志、福島正己、 福田茂樹、古川和郎、吉田光宏、

他 Telescope Array Collaboration

日本物理学会 2007 年秋季大会＠北海道大学

LINAC を用いたエネルギー較正

DATAepN .

TA 大気蛍光望遠鏡観測に含まれる不定性大気蛍光の発光量大気中での光の減衰検出器 (Q.E.,C.E., ゲイン )再構成

～15%～11%～ 10%

～6%

較正定数を一括 ( 積み上げ ) して較正する。

近距離からの電子ビームを用いたエネルギー較正が非常に有効

(1) エネルギーが既知 = エネルギー損失が既知(2) 近距離なので大気中での減衰が小さい ( 減衰の評価はできない )

))(( det. ectorMCep RdEFYN

ΔE⇔ 検出光量の直接較正

光量の比から一括補正をかける事が可能となる。

Np.eMC,DATA … 検出光電子数 (p.e)

FY… 大気蛍光の発光量 ( エネルギー損失の関数 )dΩ… ジオメトリ ( 立体角 )Rdetector… 検出器の較正定数 ( 鏡反射、ファイルター、PMT)

End-to-end 較正

製作している LINAC(TA-LINAC) のスペック

エネルギー : Max40MeV( 連続変化可 )ビーム頻度 : 1Hz （ Max)

ビーム電力 : 6.4mJ/pulse(=109e － /pulse)

水平方向 (m)

　　　　

高さ (m

)

100

Geant4

Air ShowerMade by

View of lower View of lower FD CameraFD Camera

View of upper View of upper FD CameraFD Camera 100m

40MeV 30000e-

パルス幅 : 1μsec

シャワーの縦方向発達シャワー最大～ 0.35X/

X0

GEANT4 で見積もられた検出光子数

100m 先 40MeV×109 ～1016eV

10km 先 ～ 1016eV×104=1020eV

～ 106ph/pulse( 光子数は充分大き

い )

EHECR の擬似イベント

TA-LINAC のデザイン

－ 100kV パルス電子銃バンチャー +2m管90 度偏向電磁石

加速用 RF システム2856MHz(S-band)

(17MV/m)

主要なコンポーネント

加速ラインのデザインは Parmela( ビームシミュレータ ) と Geant4 を使用した。

10,20,30,40MeV ビームのエネルギースペクトラム( 低エネルギー領域はビーム窓によ

るエネルギー損失及び 2 次粒子 )

TA-LINAC の設置

(2.6 度の傾斜 )

ビーム射出予定地点

加速器本体 ( ビームライン +RF システム )

40 フィートコンテナ(12m×2.5m×2.8m)

総重量 16 トン ( コンテナ込で20 トン )

20 フィートコンテナ (6m×2.5m×2.5m)

冷却ユニット ( 冷却能力20kW)

TA-LINAC は 40 、 20 フィートコンテナに収納必要な電力 50 ～ 60kW( 発電機から供給 )

FD より 100m の距離

( 注 ) コンテナは合成です

TA-LINAC の構築状況 ( ビームライン上 )

期間： 2007 年 1 月～現在－ 100kV 電子

銃カレントモニター類

構築状況

電子銃

加速管 偏向電磁石四重極電磁石

導波管

真空引

き用ダ

クト

導波管 + 加速管構築済

単体試験中 導波管の一部 + ビームライン下流部

ファラデーカップ：製作済

構築中 構築中

コアモニター：較正中

電子ビーム試験 9 月末 ( 来週 )

出力電力 = 100MW

大電力パルスモジュレータ ( 日本高周波製 )

クライストロン ( 三菱電機製 PV-3030)

出力電力 = 40MW(Max)

入力高周波電力 ～ 220W周波数 = 2856MHz

高周波システムとスペック

RF 試験 2007 年 5 月～6 月

大電力パルスモジュレータ

クライストロン

210

入力電圧 (kV)310

10

30

40

入力電圧特性

入力電圧(=300kV)

出力RF(=40MW)

入力 RF(=220W)

観測パルス波形 (40MW 出力時 )

2.5μsec

出力

電力

(MW

)

入力高圧パルス～ 100MW

TA-LINAC の構築状況 (RF システム )

TA-LIANC の移動

設置許可について州政府には相談中(1) 放射線問題 ( 放射線発生装置設置 )

州政府へ申請登録設置許可 放射線漏れ量は KEK でのビーム試験で測定予定

全て「船舶による放射性物質等の運送基準の細目等を定める告示」に記載されている 60Co の基準値以下である >10Bq/g & >0.1MBq

(2) 放射化品の輸送問題使用中の物品に数点放射化品有り

基準値

(3) 加速器としての輸送問題 「輸送貿易管理令」、「外国為替令」の項目に該当す

るか？

現在輸送会社に相談中

( 使用機器が軍事目的 ( 武器、兵器 ) に使用されないか ?)

加速器輸送、設置に関する問題と現状

今後の予定構築作業

下流ビームライン部 ( 支持台 )構築 冷却配管の構築

全シールドの設置

10 月中には構築完了

11 月に文科省による指定検査

電子銃単体の試験 (9 月最終週から試験 ) ビームモニター較

正ケーブリング ( 電磁石電源、モニター、安全系 )

輸送作業

ビーム試験@KEK

ビーム試験後の加速器の輸送準備

輸送に必要な手続き

放射線発生装置の設置許可 ( ユタ州政府の許可必 )輸送の許可 ( 法令に反すると判断されたら経済産業省の許可必要 )

輸出は年明け 加速器の立ち上げは年度末

まとめ

・ 全ての較正定数を一括 (積み上げ ) して較正する = End-to-End

目的

エネルギー Max40MeV の繰り返し 1Hz(6.4mJ/pulse) 、パルス幅1μsec

ビームライン + 導波管 ：ほぼ構築済 (現在真空引き中 )

スペックと構築状況

RF システム ：構築済 ( 試験済 )これからの予定

現在構築中

・ 光量の比から一括補正をかける事が可能

残りのビームラインの構築 + 電子銃試験冷却配管の構築 + ケーブリング + シールディング

電流モニターの較正

10 月中に完了

構築作業

輸送作業 輸送許可の手続き + 設置許可の手続き 今年度中輸送 + 設置

～ 11 月試験運転

Backup Slide

Target of TA

From ICRC 2007 talk by M. Teshima

TA Hybrid

There is difference between the 2 experiments which are all use FD to make the energy scale. TA can compare the energy scale of TA-FD only with it of TA-SD only. TA can compare the energy scale of TA-FD with it of Hires-1. TA-I aim to establish the method to measure the cosmic ray precisely.

s

Site Map of FD Stations

Millard county, Utah, USA

1st FD Station@ Black Rock Mesa

2nd FD Station@ Long Ridge

3rd FD Station@ Middle Drum

HiRes Telescopes was moved

35km

MD

39.1o N, 112.9o W ～ 1300 m a.s.l.

LR BRM

Full Telescopes were constructed

Test Observation was Started

Test Observation was Started with 6 telescopes

Full Telescopes (12 telescopes) were installed

FD Station & Fluorescence telescopes

FD Station @BRM

Fluorescence Telescope

256PMTs

Camera

Hex PMT+BG3 Filter

12 Telescopes/station

(Hamamatsu R9508)

(Upper ×6 Lower ×6)

Segment mirror×18

FOVAzimuth: 18°×6=108° Elevation:

Upper: 3° ～18°Lower:17.7° ～ 33°

φ3.3m

Camera1160mm

1010mm

FD ElectronicsSignal Digitizer and Finder

(SDF) 1st level trigger

Recorded waveform: 51.2 s

Track Finder (TF) 1/camera2nd level trigger

Central Trigger Distributor (CTD) 1/stationInter-mirror trigger, External trigger

GPS, System clock, Reset/Interrupt

VME

HV PS:individual HV

PMT

Pre-ampPatch Panel

Camera

HV PC

VME PC

(signal-finding process)

Dynamic Range:

8k p.e./100 ns

16/came

ra

5.4 s for track-finding process

Partial track on border

track-find process

Distribute Final Trigger to all the telescopes

Total triggering process time: 9.8 s

Run Control PC

Data Storage

Slow Control PC

WEB PC

LAN Internet

CTD PC

VME

Stereo event Taken in June 14, 2007, 09:49(UTC)

frame head =50.0017877

peak time diff. ~10s ~3km

Black Rock MesaLong Ridge

frame head (sec) =50.0017877

Mirror

30cm

Nd;YAG laser 355nm, 4mJ(max)

5ns pulse

LIDAR system

Camera0 Camera2

Camera3Camera1

Camera4 Camera6

FD event display of a LIDAR event

100 m

Laser & Telescope

Shot!

LIDAR system is operating at BRM, now!

In future, New One will be built at LR

Site : BRM

LIDAR Doom

Central Laser Facility

Steerable Nd:YAG laser 355 nm, 5 mJ

Atmospheric monitoring, “Test beam”

Long Ridge Black Rock Mesa

Event Time : June 13, 2007, 05:45 (UTC)

peak time diff. < 100ns

CLF system

CLF event were Observed at BRM&LD!!

Linear Linear AcceleratorAccelerator

LINAC 製作TA-LINAC は KEK との共同研究として KEK で製作

KEK の電子陽電子入射器棟 TA-LINAC の製作場所

池田光男、榎本收志、大沢哲、柿原和久、佐藤政則、設楽哲夫、杉村高志、福田茂樹、古川和郎、吉田光宏

KEK の共同研究者

設計 + 製作におけるサポート

Development of LINAC LINAC( call as “TA-LINAC” ) is developing @KEK in Tukuba Japan

Electron-Positron Injector

Working area for TA-LINAC

KEK( High Energy Accelerator Research and Organization )

Belle detector

Taken in last summer

Design of TA-LINAC cont’d

～ 106ph/pulse

(Enough Large)

Detector Simulation with Geant4

Event display of Detected Photons

Injection Position

FD station

Linac beam can be observed with 2 telescopes

( 100m distance )

Energy = 40MeV

～ 2×105

ph/pulse

Future plan until Operation in UtahConstruction

Construction will be completed until end of October

Export to Utah, US

Full system beam test @KEK in November

Export : 2008.Feb

Install to BRM site 2008.March

Operation will be started from 2008.Apr @ BRM

Layout of LINAC system @ KEK

Accuracy of

Beam Current

Energy

KEY point

&

TA-LINAC beam test (Aug? ～ Sep)@ KEK

We will measure the radiation level around the LINAC

around Pre-Buncher+BUncher2m Accelerator TubeBending MagnetAround Slit

Around Faraday Cup

( Layout of Beam Test in KEK )

To determine the shielding at BRM

TA-Linac ビームが引き起こす空気の放射化と被曝40MeV 電子 直接放射化には関係ない

電子による外部被曝 ( 体重 60kg の人間に対して表面一様に照射 ) ～0.1mSv/pulse

40MeV の電子の制動放射によって生成される γ 線 ( 0 ～40MeV)

一般的に 40MeV 程度の γ 線が放射化を起す事はないが、 10MeV前後のエネルギーの γ 線の光核反応によって光中性子が発生する。

空気の放射化 =

・光核反応によって生じた放射性同位元素 (13N, 15O )・光核反応によって生じた中性子が空気中の 40Ar と捕獲反応を 起して発生する放射性同位元素 (41Ar)

γ+ 14N n + 13N

γ+ 16O n + 15O

13N:T=9.96min (β崩壊 )15O:T=123sec (β崩壊 )

空気中では…

生物への被曝 =

・中性子が土中の物質と捕獲反応を起し発生する放射性物質・ γ 線 , 中性子を直接受ける事による外部被曝・ 13N,15O が呼吸によって体内に入る事による内部被曝

現在計算中 (現段階では問題になるような放射化・被曝はない )

Activation of Air and Exposure by TA-LINAC

40MeV e- No Activation directory

External exposure( Human Weight =60kg w/ AP ) by electron beam

= 40×106(eV)×109(e-)×1.6×10-19(J/eV)/60(kg) ～ 0.1mJ/kg ～ 0.1mSv

・ Radioactive Isotope by Photo-Nuclear reaction(13N, 15O )・ 41Ar produced in the air by Neutron

γ+ 14N n + 13N

γ+ 16O n + 15O

13N:T=9.96min (β-decay)

15O:T=123sec (β-decay)In the Air…

・ Radioactive Isotope by Neutron in

・ External Exposure by γ-ray or Neutron

・ Internal Exposure by 13N,15O

γ-ray from Bremsstrhlung ( Energy: 0 ～40MeV)Photo-neutrons are created by 10MeV γ-ray (Photo- Nuclear Reaction)

Activation of the Air =

Exposure of Human =

γ-ray produced from Bremsstrhlung

Simulated by Geant4 Primary beam =40MeV(104e-)

77912photons ( 104e- )

8×109photons ( 109e- )

77912 entries

Photon Energy (MeV)Position distribution

水平方向 (m)

(Red : 10±3MeVγ-ray)

10±3MeV γ-ray

Momentum vector of γ-ray (cosθ)

horizontal

cosθ

we estimated the flux of γ-ray at the ground by Geant4(1.6×108(10±3MeV))

Estimation of effective dose equivalent by γ-ray

Effective Dose Equivalent( Eγ=0.1MeV)

Kerma(Gy) = 0.1(MeV)×Flux(1/cm2)×(μtr/ρ)×1.6×10-10/1(kg)

μtr/ρ = Mass Energy transform coffie( 0.0279@1MeV )

1cm dose equiv(Sv)=Kerma×1.003(=Sv/Gy)

Effective dose equivalent (Sv) = 1cm dose equivalent×0.8

1.5pSv/pulse@10m 0.005μSv/hour

Ex

po

su

re(p

Sv

/pu

sls

e)

Number of Neutron form Photo-Nuclear ReactionPhoto-NeutronE ～ 1MeV( Maxwell – Boltzmann distribution )

Photo-Nuclear Reaction in the Air

γ+ 14N n + 13N

γ+ 16O n + 15O

13N:T=9.96min (β-decay)

15O:T=123sec (β-decay)

13N 13C + β+ + νe

15O 15N + β+ + νe

Cross Section:15mb

( Assumption : Air = 100% N2 )

Number of Neutron and Exposure by Neutron

1.6×108(10±3MeV)# of γ

1.6×108×4.8×1019(1/cm3) ×15×10-27(cm2)×30000(cm)

#of Neutron=

# of N2 Nuclear =4.8×1019(1/cm3)

rage=300m

=500,000個Exposure @ 100m ground

Kinetic Energy=1MeV4π Emission

Fluence of Neutron =5.0×105/4π×1002m2=4×10-4/cm2

Effective dose equivalent (Sv) = ４ ×10-4

( 個 /cm2)282(pSv ・ cm2)=0.1pSv/pulse

Threshold Energy=10.55MeV

Cross Section:8mbThreshold Energy = 15.6MeV

=0.36nSv/h

Activation of Air ( Estimated by simple calculation & Geant4 )

40MeV e- No Activation

External Exposure to Human (Weight=60kg:AP)

= 40×106(eV)×109×1.6×10-19(J/eV)/60(kg) ～ 0.1mJ/kg ～ 0.1mSv/pulse

γ-ray from Bremsstrhlung ( Energy: 0 ～40MeV)Photo-neutrons are created by 10MeV γ-ray (Photo- Nuclear Reaction)

Activation of the Air

・ Radioisotope(13N, 15O ) from Photo–Nuclear Reaction

γ+ 14N n + 13N

γ+ 16O n + 15O

13N:T=9.96min (β-decay)

15O:T=123sec (β-decay)

In the Air…

Exposure of Human

・ External Exposure by・ Internal Exposure 13N,15O

#of Neutrons = 500,000/pulse

0.1pSv/pulse

1hour(1Hz) 4. 4×108(13N) 0.05Bq/m3/hour

Effective Volume =1002×300m3

=

=5nSv/hour

14pSv/pulseγ-ray

Neutron

ユタ州のバックグラウンド放射線

Jun.29 Jul.050

100

140

20

Jul.12

放射

線レ

ベル

( μ

Rm

/hr

)

ユタ州の野火事によって地中の「ラドン」が巻上げられた事で空中のガンマ線バックグラウンドが 20μRm/hr から最高 140μRm/hr に上がった。

2007 年空中のガンマ線バックグラウンド

(100

Rm

=1S

v)

140μRm/hour= 1.4μSv/hr

この値は KEK では周辺管理区域から一般管理区域になるぎりぎりの値 (1.5μSv/hour)

シャワーシミュレーション

ΔEMCrecon=NMC

detected×fMCgeo×RMC( 鏡 , パラグラス ,BG ３ )/C0

( C0 = 温度 , 気圧 , 波長に依存 )

Δ Etrue=Nphoton/C0

fMCgeo = Geometry factor for MC

RMC( )=MC での鏡 , パラグラス、 BG３の応答関数 ( 反射率 ,透過率 )

確認必要

Geant4 より計算

大気蛍光望遠鏡のシミュレーションより計算

ΔEDATArecon=NDATA

detected×fDATAgeo×RDATA( 鏡 , パラグラス ,BG ３ )/C0

ΔEDATArecon= Δ EMC

recon ?

エネルギー較正

カメラ単位での ΔE 、 PMT 単位でのΔE

MC

DATA

LINAC によるエネルギー較正方法

Δ E=Nphoton/C0

C0 較正

モデル依存温度 , 気圧ウェザーステーションで常時測

定波長分光器 or PMT で測定

How to calibrate? – Photon Correlation –

i

MCep

DATAep

i N

NR

.

.

))(( det. ectorMCep RdEFYN

We can define a correlation factor from ratio of # of p.e

Np.eMC,DATA … Detected photo-

electrons(p.e)

FY…Fluorescence Yield (Function of dE/dX, etc)

dΩ…Geometry ( Angle )

Rdetector…Detector Parameters(Mirro 、 Filter 、 PMTs)

Under discussion

i = PMT ID ( 1 ～ 256 )

256

1.

256

1.

ii

MCep

icalibi

DATAep NfN

Correlation Factor

Energy Calibration is measurement of average of Ri

We can correct # of Photoelectron in MC simulation.

How to calibrate? – Fluorescence Yield –

( C0 = Temperature, Pressure, Humidity, Wavelength dependent )Nphoton=Δ E×C0

Model Dependent Parameter

Measured by Weather Station(?) Measured by Spectrometer or

PMT(?)

Nphoton dependences on only C0

Can we calibrate the Fluorescence yield?

Δ E = Known

Under discussion

(1) Can we measure the yield depends on Weather parameters?

(2) Can we measure the absolute yield ?

How to calibrate? – Fluorescence Yield –(1) Can we measure the yield depends on Weather parameters?

Tem

per

atu

re (

)℃

Temperature & Pressure Variation (near BRM )

▲..MAX 〇 ..AVE ●..MIN

50℃

Difference of Temperature btw Max and MIN 50℃ Difference of Pressure btw Max and MIN 20hPa

20hPa

Variation of Yield is very small ( < a few % )

Measurement of temperature or pressure dependence is not so useful….

How to calibrate? – Fluorescence Yield –(1) Can we measure the yield depends on Weather parameters?

Relative humidity Variation (near BRM )

Aug.28 Sep.3

80

10

Rel

ativ

e H

um

idit

y(%

)

30%

Difference of Humidity btw Max and MIN during 30%

Measurement of humidity dependence may be useful…?

Variation of Yield is 5 ～ 10%

How to calibrate? – Fluorescence Yield –(2) Can we measure the absolute yield ?

If we locate chamber at output window, we can measure the yield .

PMTs w/ filter or w/o filter( Spectrometer )

Beam can be bended along Horizontal line

We can setup Test bench for measurement of Yield.

But this plan is not real now ….

How to calibrate? – Fluorescence Yield –(2) Can we measure the absolute yield ?

100m

FD

Linac BeamNear Telescope

～ Φ30cm mirror + PMT

～ a few 10m

Locate another small telescopes and observe Linac shower

Compare FD telescope & near Telescope Yield measurement ??

Beam Intensity Monitor??

電子銃試験 @KEK と最終版スペック

1μsec

Max0.6A

電子銃のスペック印加電圧 -30kVDCグリッドパルス電圧バイアス電圧 +50VDC ビーム頻度 10-30Hz

電子銃電子銃 高電圧電源高電圧電源

観測されたビーム信号パルス幅

出力電流

試験期間 2006 年 2 月～ 3月 ,6 月

印加電圧 = -100kV パルス

～ -100V

-30kV 電子銃はビームロスが高い = 放射線レベルが高い

現在 -100kV 電源準備中

最終版電子銃のスペック