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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

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.Marrocchesi E ,M.G.Bagliesi E ， G.Bigongiari E ， S.Bonechi E ， M.Y.Kim E , P.Maestro E

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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

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Presentation Transcript

  1. 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

  2. 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)(～1000TeV/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

  3. CALET-CHD概要 上面 • 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 450 84 mm 450 mm 450 側面 カタログ値(BC404相当)

  4. CALETによる観測（5年間）で期待される原子核成分観測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 Mg Ne Si Fe

  5. 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):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 CHD:プラスチックシンチレータ 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 SIA CHD Target(Acrylic) BEAM Trig1 Target(Acrylic) CHD SIA Trig2 0153035 155(cm) 実験装置配置図(2011.12)

  6. データ収集系セットアップ DC-PW ±12V ・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 CAMAC Shaping Amp. Divider PH-ADC 16bit CHD(-420 V) Pre Amp Low gain Trig1(-1500V) Discri(-30 mV) Coincidence Gate Generator Middle Gain：CALETのダイナミックレンジ相当 Trig2(-1400 V) Discri(-50 mV) High gain USB接続 SIA QDC CPU Middle gain Low gain LAN VME

  7. 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（Cycle3.3s, flat top 0.7s） • ビーム広がり：1~2cm Ge 500 MeV/n 約1.0×105 Events Fe 500 MeV/n 約4.0×105 Events Si 800 MeV/n 約3.5×105 Events Kr 500MeV/n 約7.0×105 Events 10 mm 10 mm 10 mm 10 mm 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

  8. Kr(36) Ge(32) Counts Counts Ge Fe Fe Kr 500MeV/n 7.0×105 Events Ge 500 MeV/n 1.0×105 Events ADC counts [ch] ADC counts [ch] He Fe(26) Si(14) Counts C N O Counts Si Si 800 MeV/n 3.5×105 Events Fe 500 MeV/n 4.0×105 Events ADC counts [ch] ADC counts [ch] 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

  9. 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

  10. 多重入射イベント除去後のADC分布 Ge(32) Kr(36) Ge 500 MeV/n 1.0×105 Events Counts Counts Ge Fe Fe Kr 500MeV/n 7.0×105 Events ADC counts [ch] ADC counts [ch] Fe(26) Si(14) Counts Counts O N Si C 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除去により、分解能が改善

  11. 破砕核の電荷量と電荷分解能 Counts Counts Kr 500MeV/n 約7.0×105 Events Ge 500 MeV/n 1.0×105 Events Ge Fe Fe ADC counts [ch] ADC counts [ch] Counts Si(14) Counts Counts Si 800 MeV/n 約3.5×105 Events Fe 500 MeV/n 約4.0×105 Events O N C O N C Si Si 800 MeV/n 3.5×105 Events 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

  12. 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 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。 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 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 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 *Tarle et.al, The Astrophysical Journal 230(1979)pp.607 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

  13. 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 Ge 500 MeV/n 5.0×104 Events Kr 500MeV/n 1.2×105 Events Counts Counts Kr(36) Ge(32) Ge Fe Fe ΔE [MeV] ΔE [MeV] Counts Fe 500 MeV/n 4.0×105 Events Si 800 MeV/n 4.0×104 Events Counts Fe(26) Si(14) C O Si ΔE [MeV] 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

  14. 重イオン観測時のクエンチング効果 ADC [ch] • 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 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 • 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 dE/dx [MeV･cm2/g] Z≧40も観測可能 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 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

  15. 電荷分解能 R:電荷分解能 σZ:分散値 μZ:ピーク値 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 Fe核以上の分解能を算出→超重元素の観測が可能

  16. 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= 28~36ΔZ = 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)

  17. END

  18. 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

  19. 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

  20. 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 Krの二次核分布 Se 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 dE/dx(MeV)

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