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原子核分野・高エネルギーでの
高エネルギー・原子核分野での
検出器技術
理化学研究所
仁科加速器研究センター
計測技術チーム
竹谷篤
1.検出器とは
2.なにを測定するのか？
3.具体例
4.これからの展望
5.まとめ
検出器の重要性
物理
検出器
人間
•自然現象を理解するために測定器が必要
•新たな測定器の開発は新しい物理を切り開いてきた
望遠鏡 (1590) : ニュートン力学 (1600年代後半）
光速の測定(1873): 相対論 (1905, 1916)
高分解能での水素のスペクトラム分光 : 量子力学 ( 1925)
チャーム粒子の発見
７４年にS.TingとB. Rchiterが独立に発見
７６年にノーベル物理学
Ting: 高エネルギー陽子を原子核標的にぶ
つけて、生成された電子-陽電子対の普遍質
量を組む
m+
J/f
m-
Tingが発見するまでに、かなりの実験グ
ループが似たような実験（ミュオン対生成を
含む）を行い、兆候は見えたとそうだが、質
量分解能が悪くて、肩としか見えなかった。
なにを見るか
検出器
反応
~ mm : エマルジョン
~10-15m
~ cm : Si Tracker
~ 200MeV
~ m : Calrorimeter
入射粒子
陽子
検出器
測定すべきもの
• でてくる粒子の４元運動量を測定
–
–
–
–
–
質量
３元運動量磁場中での飛跡
エネルギー
飛行時間測定－＞ v/C ->エネルギー
位置、角度
• 出てくる粒子はなにか：粒子識別
–
–
–
–
–
電荷
Total E
dE/dx
チェレンコフ光、ＨＢＤ、ＴＲＤ
崩壊時間、崩壊距離
測定器の主な仕組み
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
粒子が物質に入射
粒子が検出器の物質と相互
なにかしらの信号を発生さる
信号を増幅
でてきたアナログ信号をデジタルに変換
コンピューターに取り込み、記録
デジタルデータを解析－＞物理
Digital signal
増幅器
検出器
粒子
アナログ->
デジタル変換
人間
PC
シリコン検出器とは
荷電粒子
electrode
h h h
h
-
P type
+
-
電子
h
+
-
+
-
+
+
N type
空乏層
e e e
e
e
electrode
ダイオード
センサー
シリコン検出器の特徴
• 高い dE/dx ( ~ 2MeV /(g/cm^2) )
– ガスを使った検出器に比べ固体なので、薄くできる
• e-h 対生成エネルギーが小さい
– 3.6 eV @シリコン, 13.6eV@水素
• 産業界で技術的蓄積
– 小さくて精巧なものが作れる。
– 巨大な数の読出しの検出器が可能
• しかし増幅機能がない
– 低雑音の電子回路が必要
PHENIX ピクセル (センサーと読出し回路)
ピクセルサイズ( x z） 50 µm x 425 µm
厚さ
200mm
r = 1.28cm, z = 1.36 cm (有感領域)
256 x 32 = 8192 チャンネル/ センサー
4チップ / センサー
4 センサー / モジュール
Readout by ALICE_LHCB1 chip
• ピクセルごとの（プリアンプ＋波高弁別器）
•バンプボンディングでセンサーと接続
•10MHzのビーム衝突に同期して動作
•ピクセルごとのパイプラインバッファー（深さ4msec）
•チップごとにFAST_ORとしてTトリガー信号を生成
•L1 トリガー後の4 事象バッファー
Pixel 読出し概要
60cm
読出しバス
11cm
総長さl < 60cm (70cm)
Half stave
センサー
10cm
Bus (25cm ) + Extender (<35cm)
4*32 bit data bus is needed
エクステンダー
シリコン飛跡検出器
4 layers barrel structure
内側２層：ピクセル型
外側２層r :ストリップ型
ピクセルモジュール
ストリップモジュール
• 高位置分解能 sDCA~ 100 mm
• 大立体角 : |h| < 1.2, 2p for f
2p for f
|h| < 1.2
ピクセル型
r=5.0cm z=±10cm
r=2.5cm z=±10cm
ストリップ型
r=11.5cm z=±16cm
r=16.5cm z=±19cm
典型的な検出器
磁場
L: 長さ
カロリメーター
エネルギー =E
飛跡検出器
シンチレーター
シンチレーター
通過時間 = t1
P [MeV/c] = 3 * r[cm] * B[T]
通過時間 =t2
r: 曲率半径, B: 磁場
b = V/c = L/(t2-t1)/c
E=P/b
m2=E2+P2
４元運動量の決定
データ収集系
ＰＣ
ファーム
パイプライン
バッファー
検出器Ａ
ネット
ワーク
検出器Ｂ
検出器Ｃ
検出器Ｄ
トリガー
大容量
記憶デバイス
ネット
ワーク
PHENIX DAQ
ATLAS detector @ LHC
理研森田さん、森本さん提供
理研超重元素探索用測定器
GARIS(Gas-filled Recoil Ion Separator)
1. 大量のビームを標的にたたきこむ
2. ビームラインで選別
3. 検出器で崩壊の様子を観測し、未知の超重元
素が既知の元素に壊れることを確認
焦点面検出器システム
α
α
シリコン検出器
超重核子
6 cm
飛行時間測定
PSD
209Bi
+
70Zn
→
278113
36.75 MeV
TOF 44.61 ns
30.33 mm
+ n
278113
a
1st chain
23-July-2004 18:55 (JST)
a
274Rg
36.47 MeV
TOF 45.69 ns
30.08 mm
CN
278113
a
11.68 MeV (PSD)
344 μs
30.49 mm
a
11.52 MeV (PSD)
4.93 ms
30.16 mm
0.88+10.43=11.31 MeV
(PSD+SSD)
270Mt
34.3 ms
29.61 mm
a
a
2nd chain
10.03 MeV
2.32 MeV (escape)
1.136+8.894(PSD+SSD)
1.63 s
2-April-2005 2:18 (JST)
266Bh
266Bh
7.163 ms
29.45 mm
29.79 mm
a
a
9.08 MeV (PSD)
9.77 MeV (PSD)
Wilk et al. Phys. Rev. Lett.85(2000)
2.469 s
1.31 s
9.29±0.1 MeV 0.87 sec
262Db
262Db
30.91 mm
29.65 mm
s.f.
204.05 MeV(PSD)
40.9 s
30.25 mm
11.15 MeV
6.149+5.003 (PSD+SSD)
270Mt
9.260 ms
30.40 mm
274Rg
CN
s.f.
192.32 MeV(PSD)
0.787 s
30.47 mm
Table of Isotopes
T1/2 34±4 sec
S.F. ～33% : α～64%
将来への展望のキーワード
• 高分解能
– 位置分解能
– エネルギー分解能（シャワー, Total E, E…)
– 時間分解能
• 高係数率化
– 高強度のビーム
– 粒子多重度の事象
• 耐放射線性
– 低生成断面積事象の測定－＞高強度ビーム
– 取り換え可能か？
• システム化
– 複数の検出器の組み合わせ
– 複雑化
• 大規模化
– 稀な事象をさがすために大型の装置
– 対象となる粒子のエネルギーが高くなると大型化する
– 複数の検出器で同時に同じ事象を違った視点で計測
• 高速化
– 低生成断面積の事象の測定－＞高強度ビーム
• DAQ大容量化
– 大量のデータ処理
• バックグラウンド除去
– やってくる粒子を減らす
– 全部とってオンライン解析、オフライン解析で取り除く
– バックグラウンドに不感な検出器
• 低価格化
– 大規模化しても予算はかわらず
• 国際化
– 複数の研究機関だけではなく、国、大陸をまたいで、共同で開発
– １か所でフルセットの開発建設部隊をかかえきれない
まとめ
• 検出器は物理現象の理解のために必要な道具
• 計測技術の発展が新しい物理を切り開く
• 対象に応じた検出器システムが必要
– 多様な検出器
– 共通要素も多い

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