反跳電子計測のための APD,プラスチックシンチレータ を用いた実験 P6 γ班 土屋優悟 増田 周 水谷宗隆 実験目的 MeV領域ガンマ線観測による宇宙未解決問題の解明 ･超新星残骸での元素合成 不安定な同位体からの崩壊 → MeVガンマ線 元素合成の過程の解明 ･宇宙線起源の問題 ガンマ線を作る加速粒子が電子か、陽子かを識別 ガンマ線がπ0中間子起源の場合、必ず約70MeVにピークを持つスペクトル → 陽子起源のガンマ線と確認できる。 陽子由来のγ 電子由来のγ ⇒MeV領域のガンマ線からは重要な情報が 得られるため、感度の良い検出器の開発が 強く望まれている。 GeV 実際の観測 コンプトンガンマ線観測衛星 CGRO / COMPTEL 0.8MeV～30MeV フェルミガンマ線宇宙望遠鏡 FERMI / LAT 20MeV～300GeV コンプトン法を使った検出方法 ・散乱の起こる位置 ・反跳電子のエネルギー ・散乱ガンマ線の位置とエネルギー を測定できる。 ＜問題点＞ ガンマ線の到来方向に関して円周を決定することはできるが 電子の反跳方向に関する情報は失われているため 1光子に対してそれ以上の到来方向を知ることは不可能！ 電子飛跡検出型コンプトンカメラ Electron Tracking Compton Camera（ETCC） 散乱電子の方向とエネルギー → Micro-TPC (ガス検出器) 反跳ガンマ線の位置とエネルギー → シンチレータ位置検出器 ⇒入射ガンマ線のエネルギーと 到来方向も決定できる e－ (10cm角TPCで)100keV以上の エネルギーを持つ反跳電子は TPC外へ 反跳電子をTPC内部の プラスチックシンチレータで吸収 e－ ’ 散乱ガンマ線 →無機シンチレータ(GSO) TPC シンチレータ光の読み出し →APD(Avalanche Photodiode) APD High Energy mode ETCC 30cm cubic TPC High Energy Mode High Energy Mode 逆 増倍領域 実際のAPD 10cm 10mm×10mm 型番：浜松フォトニクス (S8664-1010) 倍増率：50 15.5cm PHADCの電圧校正 FunctionGeneratorからピーク電圧の決まった波形 を入力し、それに対するADC値を調べ、 校正曲線を作った。 (0.2789mV/ADC) 3 電 2 圧 1 ＡＤＣ ブロックシーケンス 約1ms,1pF PreAMP APD 0.5μs Shaper UNI Li F/F PHADC VME(PC) INPUT 0 GATE INPUT OUT OUT 電荷有感型 Discriminator 400V VIAS supply RPV130 Veto信号 FIN1 OUT 1 STOP OUT IN VETO OUT IN Lo F/F Gate信号 START START OUT Gate Generator 5.7μs TIMING CHART threshold 1μs程度 Discri 0 1 Gate 0 5.7μs 1 0 RPV Stop 1 Veto 0 1 140μsec オシロで見た実際の波形 APDからの信号 Gate Gate信号 信号 ２４１Ａｍ 350mV ｔｈ９０ｍＶ Ｇａｉｎ１．０×１００ 140μsec Veto 信号 Veto 信号 S/Nの改善 241Am(59.5keV)、109Cd(88.0keV) のピークは見えたが、 133Ba(31keV)、139Ce(33.4keV)、57Co(14.4keV) の低エネルギー帯のピークはノイズに埋もれて 見えなかった。 S/Nの改善 その時点でのノイズは40mV(p-p)だった。 そこでそれらを見るためにさらにノイズを落とす ことにした。 ノイズ落とし APDのグラウンドの強化 APDを入れた遮蔽箱を開け、中の接地面積を 増やしてグラウンドを取り直した。 ↑ノイズ落とし前裏面 ←ノイズ落とし前内部 ノイズ落とし シールド線を入れ てグラウンドの接 地面積を増やした ↑ノイズ落とし後内部 ノイズ落とし 導線の接続のはんだ付け 金属網での端子付近と同線の固定 ノイズ落とし 133Ba グラウンドの強化によるノイズ落としをしたところ、 ノイズが20mV(p-p)まで落ちた。 再び測定するも30keV代のピークは見えなかった。 ノイズ落とし前 Counts/sec バックグラウンド V th20mV GAIN10 ノイズ落とし後 Counts/sec バックグラウンド th10mV GAIN10 V エネルギー校正 241Amと109Cdのピークは取れたので、 二つのピークと、線源を用いずに測定したADCの 0voltの値を用いてキャリブレーションを行った。 241Amと109Cdの測定結果 Counts/sec 550 Counts/sec Gain 0.5×20 Threshold 20mV Am 2300 ADC ADC Gain 1.0×100 Gain 0.5×20 650 Threshold 20mV Counts/sec Counts/sec Gain 1.0×100 Cd ADC 3300 ADC キャリブレーション Gain0.5×20 keV 求められた校正曲線 ADC キャリブレーション Gain1.0×100 keV 求められた校正曲線 ADC キャリブレーション Counts/sec 241Am(counts/sec-keV)グラフ keV キャリブレーション Counts/sec 109Cd(counts/sec-keV)グラフ keV デッドタイム デッドタイム 241Am(th20mV,Gain10)の測定時に 140μsec/countのデッドタイムが かかっていた。 Count数:100000count AmのTotalDeadtime/realtime = 14sec/30min ≒ 0.7% Amの測定においては realtime≃livetime エネルギー分解能 エネルギー分解能=ΔE/E=FWHM/PEAK (FWHM=半値全幅) ・Gain0.5×20の時 241Am(55.9keV):25.6±2.1 109Cd(88.0keV) % :23.1±4.2 % ・Gain1.0×100の時 241Am(55.9keV):24.8±2.4 109Cd(88.0keV) % :22.1±2.3 % エネルギー分解能 エネルギー分解能グラフ 分解能の考察 分解能の理論値＝ ⊿E E F(fano-factor: 0.12) SiのW値＝3.76(eV) とすると FW E 59.5keV:0.275% 88.0keV:0.226% 測定結果 Am(55.9keV):25.6±2.1%, Cd(88.0keV) :23±4 % に比べ、大幅に分解能が悪い結果になった。 昨年のガンマ班のpptによると、昨年の測定では 59.5keV：52.6±6.9％ 88.0keV：48.1±16.0% ステータス １０cm×1.5cm×1.5cm 透明/ファイバー無し 側面白塗装/ファイバー有り 全面白塗装/ファイバー有り プラスチックシンチレータ 1.5cm×1.5cm APDの光電面に光学グリスを塗り、プラスチックシンチレータ 接触させた 10cm テフロンテープ＋ 遮光用黒ビニールテープ プラスチックシンチレータ 実験装置の概観図 プラスチックシンチレータ 鉛板を乗せた状態 セットアップ概要図 source source l=3cm プラスチッ ク シンチレー タ 鉛板 h=2.5cm h=5cm source 遮蔽箱 APD ヒストグラム 90Sr,60Coを用いて測定を行い、ヒストグラム を作成した。 BGと比べてSr,Coでのcount rateが 明らかに変わった。 ヒストグラム Counts/sec BG th160mV GAIN100 ADC ヒストグラム Counts/sec Sr th160mV GAIN100 ADC ヒストグラム Counts/sec Co th160mV GAIN100 ADC ヒストグラム Counts/sec 線源の位置による変化 keV デッドタイム デッドタイム Count数:100000count SrのTotalDeadtime/realtime = 14sec/20sec ≒ 70% realtime ≠ livetime まとめ • APDを使ってAm等の線源を観測し、スペクトルを得た。 • ある程度ノイズを除くことができたが、109Cd,139Ceなど の低エネルギー帯のピークを観測することはできなかっ た。 • 241Am,109Cdのピークを元にキャリブレーションを行い、 エネルギー分解能を求めた。 Gain1.0×100 241Am(55.9keV):24.8±2.4 % 109Cd(88.0keV) :22.1±2.3 % • さらなる分解能の改善が必要。 • プラスチックシンチレーターの接続や遮光をした。 • プラスチックシンチレータをAPDにつなぎ、Srなど のベータ線源を観測した。位置に依存する適当な変化 が見られた。 今後の展望 • ノイズの原因究明 Shaper以前のADCもしくはPreAmpでのノイズを落とす • プラスチックシンチレーターの比較 他の種類のプラシンでも計測をし性能を比較してみる プラシンの分解能を調べる。
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