KOPIO実験のための中性子不感型 光子検出器の開発(2) 京大理, 京教大, 高エ研 森井 秀樹, 笹尾 登, 野村 正, 溝内健太郎, 隅田 土詞, 高嶋 隆一, 村山 芳幸, 小林 誠, 谷口 敬 Contents ─Gas Scintillation─ Motivation Nitrogen Scintillationの光量測定 Gas Scintillationの影響 2015/9/30 Japan Physics Society 2003 Spring 1 Beam Catcher 要求される性能 デザイン 光子に対する高検出率 0.3GeVのγに対して99%以上 ビーム内の中性子に対して不感 1.8GeV/cのｎに対して0.3%以下 エアロジェルチェレンコフ型カウンタ 2mm厚の鉛プレート＋5cm厚のエアロジェル ビーム方向にCoincidenceをとる →中性子からのBackgroundを落とす プロトタイプでテスト KEK PS T1 beam lineを使用 ─中性子に対する不感性は陽子でチェック 2015/9/30 Japan Physics Society 2003 Spring 2 Beam Testでの予期しない発光 Single Module : 2pe cut 低光量のバックグラウンド 陽子に対する応答は2pe cutでほぼOK But… 1peレベルには大きなバックグラウンド • 等方的 • On timing • 光が原因 →ガスシンチレーション？ ガスシンチレーションだとすると このバックグラウンドを説明できるのか？ 実際のBeam Catcherでは問題にならないの か？ →空気によるシンチレーションの光量を測定 2015/9/30 Japan Physics Society 2003 Spring Good Agreement! 1pe cut Unexpected background!! 3 Nitrogen Scintillation 測定 α線の発光をPMTで測定 α線源は 241Am (5.4MeV) 測定量 1. 2本のPMTで光量を測定 2. PIN diodeでα粒子の運動エネル ギーを測定 →α粒子のエネルギーロスを知るため α線源とPIN diodeとの距離は可変 2015/9/30 Japan Physics Society 2003 Spring 4 Nitrogen Scintillation─Results 距離毎の光電子数の結果 • Geometry – 計算機によるray traceで較正 • PMT Quantum Efficiency – 窒素Scintillationのmain partが390nmなので 特徴的な値として20%と仮定 • Energy Loss – PIN diodeのスペクトルから求める 1MeVあたりの発光量 純窒素中で149±5 photons/MeV 乾燥空気中で28±4 photons/MeV 参考 純窒素中で約170photon/MeV 空気中ではクエンチングの効果により 約1/5の光量になる(後述) (Birks,”The theory and practice of scintillation counting”) 2015/9/30 Japan Physics Society 2003 Spring 5 Nitrogen Scintillation─Quenching クエンチング 空気中では酸素がクエンチャー として機能する クエンチングの式： I0 I 1 Kc 測定 ：クエンチング後の光量 I 0 ：純窒素での光量 K ：クエンチング定数 c ：酸素濃度 I 純窒素と乾燥空気を流量計で混合 結果 K=24±2 参考(Birks) K～20 2015/9/30 Japan Physics Society 2003 Spring 6 Beam Testでのバックグラウンド Efficiency to Proton Beam Testでの未知の光は何か？ Single Module : 1pe cut Single Module : 2pe cut →ガスシンチレーションを含めたMonte Carlo Simulationを行った Beam Testの結果 Single Module • 1peレベルのバックグラウンド →ほぼ説明できた Coincidence • 2peでの全体的な50%のずれには シンチレーションは影響しない 2015/9/30 ほぼ一致! 2layer Coincidence : 1pe cut Japan Physics Society 2003 Spring 2layer Coincidence : 2pe cut 7 実機の中性子不感性能に対する影響 Efficiency to Neutron 実際のCatcherに対する影響 中性子に対して • Single Rateが高いとPMTがハンドル不 能になる • Coincidence Rateが高いとover vetoし てしまう →シンチレーションの影響は？ Single Rate Single Module : 1pe cut Single Module : 2pe cut 約3倍 2layer Coincidence : 1pe cut 1.0GeV/c付近,1pe レベルでシンチレーショ ンがない場合に比べて検出効率が約3倍 シンチレーション無しで想定されていたレー ト280kHz→600～700kHzに →レートを落とす努力が必要： (ハンドル可能な)クエンチャー探し？ →high rateに耐えうるPMTベースの開発 2layer Coincidence : 2pe cut シンチレーションの影響は ほとんどなし Coincidence Rate 2pe レベル以上のthresholdでは問題なし 2015/9/30 Japan Physics Society 2003 Spring 8 Summary Beam Catcherの持つ問題点 窒素シンチレーション 1pe levelのバックグラウンド →ガスシンチレ－ションでほぼ説明 実機への影響 空気中で約30photon/MeV 窒素中で約150photon/MeV Beam Testでのバックグラウンド Cherenkov光でない光が発生 中性子のシングルレート(1pe レベル)が280kHz →シンチレーションを考えると600～700kHz コインシデンスレート→問題なし 今後 High Rateに耐えうるPMT baseの開発 クエンチャーの探索？ 2015/9/30 Japan Physics Society 2003 Spring 9 Beam Test でのバックグラウンド(2) ─ エアロジェル無しの場合 Single Module : 1pe cut エアロジェル無しでの結果 1peレベルはほぼ説明できる Single Module : 2pe cut 2015/9/30 Japan Physics Society 2003 Spring 10 Beam Test でのADC Spectrum Beam TestでのADC Spectrum 2015/9/30 Japan Physics Society 2003 Spring 11 α線のEnergy Loss α線の速度が落ちるにつれて エネルギーロスが大きくなる Kinetic Energy(MeV) Distance(mm) 2015/9/30 Japan Physics Society 2003 Spring 12 Scintillation 測定のADC Spectrum Scintillation測定の ADC Spectrum 2015/9/30 空気：20mm Japan Physics Society 2003 Spring 純窒素：20mm 13
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