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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. 目次 動機 セットアップ 測定 解析 結論. 1.動機. μ-PIC を用いた TPC のトリガーが欲しい. 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+ 3 He→p+ 3 H Q=764keV MeV γ 100 ~数 100keV ダークマター検出器 10 ~数 10keV
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平成15年度課題研究P6希ガスシンチレータ班平成15年度課題研究P6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
目次 • 動機 • セットアップ • 測定 • 解析 • 結論
1.動機 μ-PICを用いたTPCのトリガーが欲しい • 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+3HQ=764keV • MeV γ 100~数100keV • ダークマター検出器 10~数10keV →検出の簡単な①の研究 μ-TPC
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
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 21cm 反射材 / 黒画用紙 9cm PMT マントル
2-1.α線源 トリウム系列 (単位はMeV) ・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
2-2.PMT 透過型光電面分光感度特性 量子効率 20% • 浜松フォトニクス社製 • H3695ー19 • 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 光電面放射感度 (mA/W) 9.5cm 波長(nm) 320
2-3. 測定環境 HV -1400V -1500V オシロ スコープ
信号が見えました 6ns • 二本のPMT(HV-1400V,-1500V)から同時の信号 • PMTからのシグナル 高速 5ns10~200mV ⇒何かが光っている。 30mV 20mV
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)
2-4-1.増幅回路 6 ns 20 mV • LM7171 高速オペアンプ (スルーレート4100 V/μs) • Charge Sensitive型 Charge 130倍 50 mV 300 ns
400mV 3V 100ns 2-4-2.QDCV792 • 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
28-pin 23-pin 352.7channel 230.5channel
23-pin Q=0.45x+88.6 Q=0.29x+44.7 28-pin 160ch以下 Q=0.37x+28.7 マニュアル値:400pC⇔4096ch→1pC⇔10.24ch Signalが高速なので減衰している
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。
PMT+アンプ 絶対GAIN 40ch 40ch PMT A PMT B (40±5)ch→(44±2)pC 1.6×10-7pC×PMTGAIN×AMPGAIN=(44±2)pC AMPGAIN=130±10 ⇒PMTGAIN=1.9×106~2.4×106 光もれではありません
PMT A PMT B 3.スペクトル測定 Kr+マントル+黒画用紙
1.3倍 Kr + マントル +反射材 約1.3倍の集光率
μ αβγ MIP βγ αβγ 宇宙線ミューオンが1cm走ると約5keV落とす 3-1.マントルのα線以外の成分 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? Kr
3-2.マントルのα線のみをとりだすには? αβγ • 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 μ βγ ゴミ袋4枚(100μm)で マントルのα線のみが 遮蔽される αβγ Kr
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
N・G・e・Att. [pC] QDCのchannel QDCchannel値と Chargeの関係 G: GPMT × GAMP e: 素電荷 逆算するとch→p.e.の変換が可能 3-4. QDCのchannel →photo-electron数 N p.e.
3-4. QDCのchannel →photo-electron数
3-5. KrとXe 10.5 Hz 14.8 Hz Xeの方がよく光っている。
②Braggcurve (by SRIM) 4.シミュレーション Kr Xe • 測定環境のモデル化 • 発光量 (bragg curve) • 立体角 • マントル内部構造 ①測定環境のモデル化 容器の壁面での反射はない
③PMT光電面を見込む立体角 • z軸対称性 • r-z依存性 Z=-1cm
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
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80μm • 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
以上の条件のもとのシミュレートの結果 107cts
実験データとの比較 Krの場合(量子効率0.2±0.04) N×(0.26±0.05) ×(0.2±0.04) =(22±4.4 ) 1MeVあたり400±150個の光子が生成 0. 26±0.05 3800±1900events cts/2000s (107×600÷3800) ÷2000=800 800±660個のα線が毎秒放出 22±4.4 p.e 600±400events Xeの場合 1MeVあたり1100±400個の光子生成6000±5400個のα線が毎秒放出 p.e
5 結果 5-1. 中性子検出器のトリガー • n+3He→p+3H764keV • 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 ⇒Kr400±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
5-2 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⇒ Kr800±660HzXe6000±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)%
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%