アルファ線を使った
PRISMのための入射器の開発
大阪大学大学院 理学研究科
久野研究室 博士前期課程 荒木慎也
目次
•
•
•
PRISMについて
アルファ線入射実験
入射器の開発
•
•
•
•
•
•
コリメーター径の決定
アルファ線源の選定
減速材の選定
入射するアルファ線のエネルギー測定
アルファ線入射実験での使用
まとめ
PRISMについて
PRISM計画
PRISM：大強度、高輝度、高純度ミューオン源
PRISM-FFAG電磁石
PRISM-FFAGリング
∼1.5m
PRIME：大強度ミューオン源を用いて
µ-+(A,Z)→e-+(A,Z) の探索
大口径(300 mm
1000 mm)のビームダクト
磁場勾配
B = B0(r/r0)k
DFDのトリプレット電磁石 PRISM-FFAG(固定磁場強収束)リングによる速い位相空間回転によって1012 µ-/s を目指す
→ PRISM-FFAG電磁石１台についてアルファ線を用いた電磁石光学性能の評価法開発
アルファ線入射実験
アルファ線入射実験
アルファ線入射実験の目標
PRISM-FFAGリングにおいて
tune を 0.01 の精度での決定を目標とする
実験
31
を接続することによって、ビーム方向にも 300 mm の稼働範囲を持つ。検
ことによって、ビーム軸方向に前後 2 点を測定し、その位置関係から検出
する。
チアノード PMT(HPK H8500) で検出する。PMT の有感領域は 49mm×49mm
8ch ずつのピクセルが並んでいるものを使用する。このピクセル群を抵抗
し、その電荷比から位置を特定する方法を採用した。
検出器
目標精度 入射、検出位置：0.1 mm
入射、検出角度：1 mrad
入射器
α
49 mm
検出器
有感面積内でアルファ線の位置分布が1σ
程度おさまり、中心位置が決定できること
49 mm
検出器
MA-PMT (H8500)
要求を満たすような
立体角、入射エネルギーの制限が必要
アルファ線入射実験
真上から見た図
PRISM-FFAG電磁石
1200 mm
真空ダクト
入射器
検出器
入射器
α
入射器
・有感面積にあわせ、立体角を制限
・136 MeV/c までエネルギーを減速
2000
・エネルギー分布の考慮
( 入射エネルギー1keV → 検出位置0.26mm )
検出器
・位置測定 → リニアガイド上に設置
・角度測定 → ビーム軸方向に圧空シリンダー
∼4m
検出器
入射器の開発
荷電粒子を実際に入射し、電磁石の光学性能を評価する
目標精度 0.1mm 1mrad
入射器の開発
入射位置、検出位置からtransfer map の作成
5
設計図
25
5
φ3
速材
25
ケガキ線
89
58.5
φ5
減速材
30
10
30
300
330
300mm
α
α
10 4
136MeV/c
136 MeV/c(2480 keV)
コリメーター
検出時のR方向位置分布のRMSが19
mm 、検
コリメーター
α線源(241
Am)
出可能領域に入る粒子の割合は75%である。検
減速材
出可能である粒子の割合に変化がないことから、
α線源(Am241
370kBq)
回転ステージ
シグマ光機(KSPS-606M)
エネルギー分布が低い側にテールを持つ影響で、
300 mrad 精度 1 mrad
α線源
RMSの値が大きくなっていると考えられる。
α線源
500
400
300
800 mm 精度 0.1 mm
200
h1r
Entries
5000
Mean
-2.806
RMS
19.19
300mmα
600
シグマ光機(SGSP46-800)
ルサイズである6 mm とした場合の検出位置分
300 mm
700
リニアガイド
図11.にヒストグラムのBin幅を検出器のピクセ
40 mm
alpha horizontal posi
α
コリメーター径の決定
./
01$%2".3
34444
5"&133
3336/7+
33/:-/4
859333
!63;31,<3
36/-=73;364
>?1.$&1$3 3@:A-/3 !3)-)
5"&133333
336/773 !3+-7
92B*&3333 3/+-743 !3+-7@
$%&'!()**(+*%&,-,&$
コリメーター径、入射エネルギー幅を変化させて、検出位置が目標精度に到達する時間を検討する
%##
"$#
"##
コリメーター径 → 検出レート
!##入射エネルギー幅 → 位置分布の幅
各入射エネルギー幅で必要となる測定時間 (入射角度 = 0 mrad)
!$#
h/3600/2:mm {0<=kev&&kev<190}
(##
コリメーター径 5 mm の場合の検出位置分布
#
[ FWHM
=
96 keV
]!'##
!"##入射エネルギー分布
!"$#
!%##
!%$#
!$##
!$$#
!&##
!&$#
$#
!"#
,-
#$%!&'(""')"$%*+*%#
./#$01,2
23-)4
51%/22
26)+)7837
95:222
224+4;<
!? 2=2/*>2
22-4+-2=2<7
@A/,#%/#2
2488+?2!2<+51%/22222 26)+)8?<72!2)+)<)-:0B"%2222
24+(4(2!2)+)-)
%''
&)'
&('
h/3600/2
測定時間 [ h ]
($#
45
FWHM ~ 180 keV
FWHM ~ 145 keV
FWHM ~ 125 keV
FWHM ~ 110 keV
FWHM ~ 100 keV
40
35
30
25
20
&#'
15
&%'
&''
10
)'
有感面積
49 mm
('
#'
5
%'
'
!"
0
!#
!$
!%
!&
'
&
%
$
#
cm
"
!" 4
5
6
7
8
9
10
コリメーターの直径 [ mm ]
角度測定での精度を保つ必要性
測定可能な時間内(数時間程度)で
磁場のゆらぎ、検出器の分解能
最小の径 5 mm を選択
Source Type : Checking Source ( Japanese Standard Sealed source ; < 3.7MBq )
Product code : AF-241-A1 ( Please use type A1 capsule , not use AFR source )
Alpha Particle
Standards
アルファ線源の選定
See the figure bellow( from P25 of IPL catalogue ). The structure of the source
should be exactly the same to that of AF-241-A1( see the figure bellow ).
Nuclide : Pure Americium-241
Nominal activity : 3.7MBq
アルファ線源への要求
Active element : 5mm diameter
Alpha Particle Standards—Type A-1
・高強度であること
Energy resolution
: Our estimation is less than 20 keV (FWHM) , if the structure of
source isThe
the
same
that isofpermanently
Type A1. However,
energy holder
resolution
itself isx not nectype
A-1 to
source
fixed in anthe
aluminum
1” diameter
・エネルギー分布が十分に抑えられていること
0.125”
high
(25.4
mm
x
3.18
mm).
The
active
diameter
is
0.197”
(5.0
mm).
第 4 章 入射器の開発
essary to be guaranteed by IPL.
•
SUPPORT RING
密封膜による分布の広がり
∼400 keV
α
ALUMINUM
SUPPORT RING
1"ALUMINUM
(25.4 mm)
1" (25.4 mm)
5486 keV(文献値)
アルファ線源の発注
α
0.125" (3.18 mm)
ALUMINUM
PLUG
0.125" (3.18
mm)
PT CLAD NI FOIL
1∼2 um ( Au-Pd )
ACTIVE ELEMENT 0.197" (5 mm) DIA.
ALUMINUM
PLUG
高強度、かつ、エネルギーの広がりを抑えたアルファ線源
Pure 241Am (3.7 MBq)
Figure 25-A : Type A-1 Disk
Overall Dimensions
PT CLAD NI FOIL
Overall
Diameter
1”
25.4 mm
Active
Diameter
0.197”
5 mm
Height
WINDOW
ACTIVE ELEMENT 0.197" (5 mm) DIA.
None
A1 Capsule
EXCEPTIONS
0.125”
3.18 mm
Cf-252, Ra-226, and Th-228:
100 µg/cm2 gold
Figure 25-A : Type A-1 Disk
241Am
241Am
非密封線源
密封線源
A
B
図 4.40: 特注線源のスペック。Isotope Products Laboratories 社提供のもの [22]
Overall Dimensions
Overall
Diameter
1”
Active
Diameter
0.197”
WINDOW
None
Height
EXCEPTIONS
0.125”
C
特注線源
Cf-252, Ra-226, and Th-228:
2 (gold)
A. mm
Standard
100 µg/cm2 gold
0.052µm(Au)
25.4
5 mm window
3.18 mm100µg/cm
B. Electroplated pure 241Am
C. Platinum Clad Nickel Foil
Half-Life
Significant Alpha Energies (keV)
Cross-section
Catalog #
Nuclide
AF-241-A1
Americium-241
432.2y
5388, 5443, 5486
強度 ： 370 kBq
FWHM ： ∼40 keV
Nature of Active Material
Available Activities
Electroplated onto Platinum Clad Nickel Foil
1nCi-100nCi (37Bq-3.7kBq)
減速材の選定
・2480 keVまで減速すること
・減速後のFWHMを 150 keV以下にできること
減速材への要求
様々な薄膜を用いて、減速後のエネルギー幅を比較
2480 keV
240
減速後のエネルギーと
220
エネルギー分布幅
FWHM[keV]
200
180
アルミの分布
160
140
有機フィルムの分布
120
100
80
60
1750
1950
2150
2350
2550
2750
2950
3150
3350
3550
3750
3950
4150
4350
4550
mean[keV]
アルミ(goodfellow社)
マイラー(シーアイ工業)
アルミ(日本製箔)
アルミ
アラミド(帝人テクノプロダクツ)
アルミ(キッチンフォイル)
アラミド１
アラミド２
カーボン
アルミでの減速結果(by GEANT3)
マイラー(帝人デュポン)
線形 (アルミでの減速結果(by
GEANT3))
理想的な膜(by
GEANT3)
アラミドフィルム(帝人テクノプロダクツ) を減速材 ( 21 um ) として採用
入射するアルファ線のエネルギー測定
入射エネルギー 1 keVの違いは検出位置 0.26 mmの違いに相当
本実験で要求される位置精度 0.1 mm → 1 keV以下の精度で測定し、中心値を決定することが必要
第 4 章 入射器の開発
98
２線源を用いて同時測定
非密封線源(241Am)
241Am)
密封線源(241
特注線源(
Am)
run
[count]
Entries 287631
半導体検出器
Mean
104
10
3
4547
較正用線源ピーク
(5486keV)
実験使用線源
のピーク
300mm
減速材
-5Torr
(真空度
10-3 Pa程度)
真空中
真空度10
102
10
{
・非密封線源 ( 自己吸収 0.18 keV程度 ) を基準とする
図 4.61: 減速後のエネルギー測定のセットアップ。本実験におけるアルファ線の精密なエネルギー
・測定系のリニアリティーを確認し、補正に用いている
の中心値を測定するために、実験において実際に使用する 241 Am アルファ線源、入射器のリニ
アガイド、回転ステージを除いたヘッダー部分 (入射器ヘッダー部分) を用いて測定をする。コリ
メートされた後のアルファ線の検出レートは 1.5Hz 程度である
1
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
[keV]
入射するアルファ線のエネルギー測定
1ヶ月半行なった実験の前後で入射するアルファ線のエネルギー測定
本実験前に測定した減速後のスペクトル
cal_result_500-535
Entries
Mean
!2 / ndf
Constant
Mean
Sigma
1800
1600
86918
2525
72.87 / 30
1756 ± 10.9
2536 ± 0.6
52.5 ± 0.9
1400
本実験後に測定した減速後のスペクトル
cal_result_397-535
Entries
167261
Mean
2528
!2 / ndf
116.4 / 45
Constant 3301 ± 13.1
Mean
2537 ± 0.2
Sigma
55.36 ± 0.35
3500
3000
2500
1200
2000
1000
800
1500
600
1000
400
500
200
0
2200
2300
2400
2500
2600
2700
2800
keV
0
2200
2300
2400
2500
2600
2700
[keV]
[keV]
E = 2536 0.75 keV
FWHM = 121.8 keV
エネルギーの絶対値をよく再現
2800
keV
図 4.88: 減速後のアルファ線の全統計を足し合わせたもの。中心値は
2537 keV、FWHM は
E = 2537 0.49 keV
keV である
FWHM = 126.1 keV
薄膜の劣化等による変化なし
測定自体の信頼性
アルファ線入射実験での使用
実験で検出したアルファ線の位置分布の様子
h1posi
calculated position dynode2 > 380 (gaus) run.10256 ~ 10266 vert 1 ~ 8
Entries
13711
Mean
21.46
RMS
11.02
! 2 / ndf
34.48 / 35
Prob
0.4932
Constant 415.4 ± 5.2
Mean
21.64 ± 0.22
Sigma
15.77 ± 0.35
450
400
350
測定時間：3.5 時間
位置決定精度：220 µm
アルファ線の検出レート：1.5 Hz
300
有感面積：42 42 mm2
250
200
!"#$%&'()*%+%,(&&%mm
有感面積
（),.,,,%/012(%3%4%56708）
150
100
実験での達成精度
位置精度：0.16mm
50
0
-10
角度精度：1.1mrad
0
10
20
30
40
11
50
%9 [mm]
:
１ヶ月半の実験において、230点の測定を無事行なうことができた
まとめ
・PRISMの位相空間回転部であるPRISM-FFAGリングの評価のため、PRISM-FFAG電磁石
の光学性能を評価する手法として、アルファ線入射実験を行なった。
・PRISM-FFAGリングのtuneの決定精度、検出器の有感面積による要求を満たすようなアル
ファ線の入射が可能となる入射器を開発した。
・可能な測定時間の範囲で、コリメーター径を直径 5 mmに決定した。
・強度 370 kBq、密封膜に 0.052 µmの金薄膜を使用した241Am線源を特注した。
・減速後のアルファ線のエネルギー幅を小さく抑える材質を選定し、アラミドフィルム
( 21 µm )を採用した。
・実機を使用して入射するアルファ線のエネルギーを精度よく測定し、アルファ線入射実験
前後での測定で、2536 0.75 keV 、2537 0.49 keVとなり、再現性を得られた。
・1ヶ月半の実験において機能し、230点の測定を行なうことができた。位置精度は
0.16mm、角度精度は1.1mradとなった。
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