GEM@ICRR - 東京大学宇宙線研究所神岡宇宙素粒子研究施設

GEM/μPICを用いた真空紫外
イメージング検出器VI
日本物理学会第67回年次大会
2012年3月27日関西学院大学
関谷洋之
東京大学宇宙線研究所
窪秀利,谷森達
京都大学理学研究科
黒澤俊介,柳田健之, 横田有為, 吉川彰
東北大学多元物質研究所
福田健太郎, 石津澄人,河口範明, 須山敏尚
株式会社トクヤマ
関谷洋之
2012年3月27日日本物理学会第67回年次大会(関西学院大学)
Introduction
VUVシンチレーター
UVシンチ＋ＣｓＩ＋ＭＰＧＤ＝硬Ｘ線イメージャー
CsI光電面
ガスイメージング装置

10cm μPIC ＋GEM
LaF3(Nd3+ 8%mol)
 λ=172nm,τ= 6ns

初めは5.5MeVa線源でのイメージング
241Am
2.6MBq照射
関谷洋之
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高光量シンチレータの開発
Nd dopeしたフッ化物結晶
Crystal
Nd:LuLiF4, Nd:LuF3
Z
Density
[g/cm3]
Wave
length
[nm]
Decay
time
[ns]
Nd:LaF3
53
5.9
173
7
Nd:LuLiF4
64
6.2
183
12
Nd:LuF3
66
8.3
178
10
10mm
5mmt
5.5MeV α( 241Am)
LaF3
LuLiF4 LuF3
PMT 浜松R8778(QE=30%)
による測定
1.0 : 2.1 : 2.6
→LaF3に比べた光量
• LuLiF4 は 2.1 倍
• LuF3 は 2.6 倍
関谷洋之
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57Co
122keV gによるイメージング
57Co
(122keV g) f=5mm
UV photon
54mm
photo electron
Nd:LuLiF4に
直接CsIを蒸着した
window
34mm
Insensitive region

X線でのイメージング実証へのステップ
◦ QE は未だ低いが、検出効率はガス検出器に比べて向上
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講演内容
課題
 量子効率の向上
◦ 理研→浜松の新反射型光電面を入手
◦ NeベースのガスでのQE測定

長期動作試験
これらを評価するためのセットアップの構築
• 地下から地上へ
• Nd:LuF3光源の評価とQE評価のためのDAQ
• Neベースガスの露点モニターとゲッターの導入
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基準光源としてのNd:LuF3の評価

QEの分かった検出器(PMT)での測定
10mm
5mmt
5.5MeV α( 241Am 3kBq)
LuF3の発光波長スペクトル
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2種類のPMTでの比較

R7281(ZK0777)

R6835(PA0138)
◦ CsI光電面, MgF2窓
◦ Bialkali光電面, MgF2窓
QE 30%@178nm
QE 1%@178nm
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ガス用のDAQでデータ取得

5×105ゲイン(ブリーダをカスタマイズ 50Ω termination)
◦ アンプクリアパルスCP581 0.2V/pCに改造
◦ FADC CAEN DT5724
250mV→1.56×107electrons→31p.e. 6mV→3.8×105electrons→0.8p.e.

QE(R6835)/QE(R7281)= 1/30を確認
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ガスの純度(H2O不純度)モニター

封じ切り容器中のCsI劣化要因のH2O量を抑える
◦ 長期測定や、ガス依存性等を測定するのに不可欠

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容器の中身
◦ SUS容器
◦ バイトンO-ring (良くないだろう)
◦ uPIC/GEM
◦ PEEKフレーム、ネジ
◦ SHV,BNCセラミックフィードスルー
◦ 半田
◦ カプトンテープ
◦ 10kV耐圧シリコン被覆導線
◦ MgF2窓
◦ 銅電極
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封じ切り容器での測定


温度計
露点計

TMPで2日間真空引き
→ 5×10-4Pa
Ne(95%)CF4(5%)を
0.105MPa導入
封じ切って露点を測定
◦ CP 80268 data logger
圧力計
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露点温度
ガス温度
容器ゲージ圧
初期のゲイン変動にも影響？
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絶対湿度
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ゲッターの導入

SAES CapaciTorr D-400-2
◦ 3nm 金属メッシュフィルター
◦ 5×10-4Paまで引いたあと、
Ne(95%)CF4(5%)を0.105MPa導入
◦ 高純度ガスポンプで1.2L/minで循環
検出器容器
露点計
真空
ポンプ
圧力計
マスフロー
コントローラ
1.2L/min
温度計
循環ポンプ
SAES
ゲッター
フィルター
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露点温度
ガス温度
容器ゲージ圧
絶対湿度
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絶対湿度：封じ切り
絶対湿度：封じ切りゲッター循環
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まとめと今後
Nd:LuF3結晶を用いて量子効率を評価する系を確
立した。
 ゲッターを用いることで、封じ切りガス循環で長期
純度を保つ(H2Oを抑える)手法を開発した。

→ICFフランジの真空容器
→PMTのようにタブレット型Getterの導入
→地下へ戻る？

量子効率の評価
◦ 新反射型光電面の評価
◦ Neベースのガスでの最適化

長期動作試験
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Extra slides
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透過型CsI光電面によるセットアップ

透過型光電面
◦ 5t MgF2窓
◦ Al電極エッジ＋10mmヒゲ
◦ CsI蒸着50mm o(10nm)
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QE～1%
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反射型CsI光電面によるセットアップ

反射型光電面
◦ 10cm 100μm LCP GEM
◦ 2μmNi、0.2μmAuメッキ
◦ CsI蒸着 o(100nm)
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QE～3%
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ハイブリッドイメージング検出器

シンチレーター窓
241Am
(5.5MeV a)
f=2.5mm
UV photon
3mmt Nd:LuLiF4
photo electron
φ54mm
Ni contact
CsI active area
φ34mm
3.5
mm
X=
50.9
mm
 =3.4
mm
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X=
54.3
mm
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今後の計画

CsI
量子効率の向上
◦ 改良反射型光電面by浜松
◦ Neベースのガス
◦ 低圧での動作
Bersikin et al.,
NIMA 442(２０００)５８
 mPIC
 Micromegas
新結晶とX線イメージング
 LAr/LXeでの使用

JINST 5 (2009) P10002
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LAr/LXe + CsI

希ガスシンチレーターの発光波長

CsIの短波長でのQE
Liquid Ar + CsI の組み合わせ？
A.Breskin NIMA 371(1996) 116
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Readout system
NIMA 513(2003) 94
ASD chip
for ATLAS TGC
0.8V/pC
Position Encoder
FPGA x 3
100MHz clock
Obtained image
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GEM::SMASH

Φ70μm ピッチ140μm
10cm×10cm 100μm LCP
×20対物レンズ（レーザー）
×150倍対物レンズ
（カラー＋レーザー）
KEYENCE VK9700
カラー３D レーザー顕微鏡
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μPIC::μPIC-SE



400μmピッチ、10cm×10cm
16ch+16ch読み出しのμPIC-SE
さらに4ch+4ch読み出しで使用
×20倍対物レンズ
（カラー）
×20倍対物レンズ
（3Dレーザー）
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