2007/5/27-28 実験結果報告

2007/5/27-28
実験結果報告
2007/9/19
京都大学
服部香里
検出器開発
今回の実験で挙がった問題点
ノイズ
検出効率の非一様性
efficiency
大強度ビームを当てたときの焼きつき
(検出器のgain変化)
GEMのInduction fieldが弱い
ノイズ
特定のstripのcount rateが高い
anode, cathodeともに
35, 99, 163, 227チャンネル(64chおき)
count rateがノイズのrateに比べて十分高いので、
問題にならない
電気的ノイズかposition encoderのプログラムのバグか？
アモルファスカーボン
4×106 event
ノイズでイメージが
格子状になっている
電極の放電により
Stripをカット
検出効率の非一様性
μ-PICのgainに非一様性がある
gainが低いとthresholdにかからず、検出効率が落ちる
左上の検出効率
が低い
<改善方法>
ノイズレベルを下げて、
thresholdを下げる
Gainの向上
μ –PICのさらなる改良
efficiency
13.8 keVで
Al 0.5 mm
Xe 4mm
検出効率
透過率 25.2 %
吸収率 16.4 %
最大
4.13 %
検出効率向上のために
入射窓の素材を変える
グラッシーカーボン、Be
東海カーボンにてグラッシーカーボン窓厚み1, 2, 3 mmを製作
業者の話では2,3 mmあれば真空に耐えられるらしいが、
きちんと試験していないので、こちらで真空試験
納期は9月半ば頃
C 透過率
1mm
2mm
3mm
86.2 %
74.3 %
64.1 %
ガス層を厚くする
今の真空槽では、ガス層は最大6 mm程度までしかとれない
6 mm厚のdrift cageは設計、発注済み(ついでに8 mmも)
厚い真空槽を作る
焼きつき
大強度ビームを照射すること
により、gainが上がったり
下がったりして起こる
今回はgainの向上が見られた
grid maskで局所的に
ビーム照射後、
PSLatexのイメージを
とると、grid maskの
イメージが薄く残っている
ビーム照射部分だけ
gainが上がって検出効率が
上がったため
μ-PIC, GEMのHVを一旦
OFFしたが、改善されず
Thresholdを10 mV下げたら
見えなくなったので、今回の
実験には影響はなかった
今後ビーム照射時のgainの変動をFlash ADCで測定したい
5月の実験では
GEMのIndution fieldが弱かった
→焼きつきの原因？
-HV
5月の実験セットアップ
-HV
Cu
(5μm)
drift plane
electron cloud 4mm
drift電場 0.5kV/cm
GEM
5mm
polyimide
(50μm)
Induction field 0.6kV/cm(通常2kV/cm程度)
-HV
μ-PIC
通常Induction fieldは2 kV/cm程度でGEMを動かすが、
結晶構造解析用セットアップはなぜか今まで
0.6 kV/cmで使っていた
Induction fieldを上げるとイメージの焼きつきが
改善されることが期待される(次頁以降で説明)
不当に低いInduction fieldによって、検出効率が落ちて
いたことを6月のPF実験で確認→改善した
Dependence of total gain on induction field
5.9 keV (55Fe)照射
ΔVGEM = 250V
EI=2kV/cmでgain10
drift電場0.6kV/cm
μ-PIC gain 3×103
ガスAr 90 % C2H6 10%
Xeではないが、傾向は同じ
Effective gas gain
以前、μ-PIC + GEMシステムで、 μ-PIC 、GEMの電圧一定のまま
Induction fieldを変えて、total gainが変わるかを試験した結果
通常の使用範囲
X線結晶構造解析
the system unstable
@ gas gain of ~ 105
Induction Field[kV/cm]
これ以上は測定できず
今までgainを損していた！
電子のGEM透過率
Induction fieldを強くすると、何故gainが上がるか？
電子のGEM透過率が上がるためだと考えられる
Induction fieldが弱いと、
電気力線はGEMの穴を通り抜けず、
GEM上部の銅電極に終端してしまう
→gainの低下
チャージアップ？
Induction fieldを強くすると、チャージアップが
改善され、イメージの焼きつきも緩和すると
考えられる
Drift region
GEM
Induction region
6月のKEK-PF実験結果
PFは強度が弱いので、イメージの焼きつきは試験できなかったが、
Induction fieldとgain, count rateの相関を測定をした
Induction field以外はSpring-8と同じ
Xe 70% C2H6 30%
μ-PIC 460 V
VGEM
400 V
drift電場 0.5 kV/cm
X線 17.5 keV
Threshold ±45 mV
Induction field [kV/cm]
今まで 0.63
1.25
1.50
1.75
pulse height [mV]
10
25
30
35
count rate [kHz]
96
160
171
178
anode current [nA]
47
87
102
117
Gain, count rateの向上がみられた
Induction fieldをこれ以上あげると、drift planeと真空槽の間で放電が起きる可能性が
あるので、これ以上は測定しなかった
次回、Spring-8実験においてもこのような測定をし、gain, count rateが向上するかを
確認し、イメージの焼きつきが改善するかを確かめたい
今後の検出器開発計画
μ-PICのgain変化を測定するために、Flash ADCを立ち上げる
既存のFADCを使うので、すぐできる
10cm μ-PIC
9月末～
グラッシーカーボン窓を取り付けての真空耐久試験
drift planeのアルミマイラーが一部破れていたので修理
30cm μ-PIC
10月初め
GEMを入れられる真空容器が完成
真空試験
GEMを取り付けてHV試験
次の実験までに
システム構築(ASDの取り付け、ノイズ落とし、検出器の安定動作)
データ解析現状報告
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コラーゲン
qの導出(ベヘン酸銀)
PSLatex
grid mask
フェリチンイメージ見えず(検出効率が低いことにより、長時間照
射して試料が壊れたからか？)
• 楕円フィット
コラーゲン stripとの角度依存性
45度
Stripとなす角20度
Stripと平行 pitch 400μm
45度
400/ 2 μm
高次のピークまで
クリアに見える
45度はpitchが細かくなることにより、
よりクリアに見えている
解析手法は同じ
(幅1.6 cmの帯状に積分)
以後コラーゲンは
45度のデータを解析
q
コラーゲン
何イベントでどれだけのピークが見えるか？
高速データ取得の可能性を検証
5×104 event
106
105event程度で11次のピークが見え始める
106eventあれば高次まで十分ピークが識別できる
105
107
カメラ長の導出
ベヘン酸銀のデータを用いてカメラ長を導出
扇形に積分(12度)
stripとなす角が45度
付近のデータを使用
ビーム中心付近のstripとのaccidental
event が帯状に見える
1次のピークより、カメラ長220.04 cm σ5.56 cm(2.14 strip相当)
楕円補正により、より正確な値を求められることが期待される(現在解析中)
2, 3次のピークの結果も同様
qの導出、CCDのデータとの比較
黒：μ-PIC
青：CCD
qがずれている
これはカメラ長によるものと考えられる
r
l
sin( )  (1 )  q
2l
l
CCDは感度補正を
していないので、
広角側で減衰の
仕方にずれがある
q[Å-1]
r：検出器面上でのビーム中心からの距離
l：カメラ長
上式からもわかるように、広角にいくにつれて、ずれが大きくなっている
μ –PICの解析で、l=218 cm とすると、CCDとピークの位置が一致した
→カメラ長の問題、楕円補正
PSLatex
黒：PSLatex+buffer
青：buffer
赤：PSLatex
構造が見えない
(データ取り始めだけ見ても×)
同じ解析手法で年末の
データも解析したら
伊藤さんの結果と一致したので、
解析手法はOKなはず
105
q-4で落ちるはず
fitの結果は-3.93
dynamic rangeが105
とれたのは前回と同じ
q[Å-1]
Grid mask
イメージに歪みがあるか？
顕著な歪みはなし
ビーム強度を変えても
穴位置は変わらず
ビーム強度を変えたとき、
プロファイルの変化を
調べた
二通りの方法で強度を変化
1.上流に置くAl板の厚さの
変化
2.ビームサイズを変化
←Al板を透過してくる高調波の
影響を調べるため
ビーム強度が強いほど
穴の広がりが抑えられているようだ
現在解析中
ノイズとのaccidental coincidence
楕円フィット
試料
2
ビーム軸
理想的には検出器はビーム軸に垂直に置かれる
実際は垂直ではないため、粉末結晶の回折像は楕円になるため、
円を仮定して解析すると正しい2θが求められない、ピークが広がる
検出器の傾きを求めて、正しい2θを得る
検出器の傾きをEuler角(θ0, φ, ψ)で表すと、
θ0 ：検出器に垂直な軸のビーム軸からの傾き
φ ：検出器に垂直な軸の回転角、回転軸はビーム軸
(回折像はビーム軸回転に対して不変なので、φは楕円フィットに使わない)
ψ ：検出器の座標(X, Y)の回転角、回転軸は検出器に垂直な軸
粉末結晶の場合、2θのイメージは、
X 2 (cos2 0  sin 2 0 tan2 2 )  Y 2  2lX sin 0 tan2 2  l 2 tan2 2  0
をさらにψ回転したものになる
フィット結果(1)
完全に楕円上に並んだ点に対するフィットでは、
パラメータがまるめこみ誤差程度の範囲で一致することを確認
楕円の周囲にガウス分布(σ=0.08、ベヘン酸銀のピークと同程度の値)するデータを作って、
フィットがほぼうまくいっていることを確認
リアルデータのフィットはこれから
L  220,  3 ,  0  1
フィット前
フィット後
二つの楕円を同時にフィット
L=220にある、ビーム軸に垂直な
検出器で得られるイメージに
焼きなおした
楕円フィットで得られた値
L  220.003,0  3.05492
0
2  0.8814 ,1.7628
ベヘン酸銀の値を再現
Ψはフィットで正しく求められない
円に近い楕円の場合、ψの影響は
小さく、ガウス分布に吸収されてしまう
(円から大幅にずれた楕円の場合も
正しく求まる)
検出器はほぼ水平なのでΨ～0
Ψ=0と仮定してフィット
楕円フィット(2)
5月の実験で得られたイメージのように、1/4円の場合、さらに悪くなる
前ページとパラメータは同じ
フィットで得られた値
二つの1/4円を同時にフィット
L  219.990,0  2.95996
ほぼ円に近い楕円の場合、楕円フィットは有効な方法であるか要検討
実際のデータを楕円補正して、良くなるかどうかで補正の有効性をテスト
楕円フィット(参考)
歪んだ楕円の場合
PF実験のCeO2の測定と似た状態で
シミュレーション
L  12,0  40 ,  10  2
2  13.02 ,21.34
フィットで得られた値
L  12.002,0  2.00227
カメラ長が短く、斜め入射の影響の大きいPF実験においては、
イメージのボケを防ぐために、μ-PICを45度程度に傾けておくが、
そのような測定に楕円補正は有効であり、妥当なフィット結果を
得られると期待される
まとめ
格子状のパターン・・・原因の見極めが必要
検出効率の非一様性・・・gainの向上が手っ取り早い
efficiency・・・グラッシーカーボン入射窓
大強度ビームを当てたときの焼きつき
(検出器のgain変化)・・・ GEMのInduction fieldを強くする
GEMのInduction fieldが弱い・・・次回実験で改善
コラーゲン・・・前回より高次までピーク分離に成功
qの導出(ベヘン酸銀)・・・カメラ長に1%程度の誤差有
PSLatex・・・今回の実験は失敗(試料)
grid mask・・・ビーム強度が強いほど広がり小
フェリチンイメージ見えず
楕円フィット・・・解析方法はほぼ確立、実験データの解析へ

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