2008年度課題研究P6 μ-PIC班 μ-PICと光電子増倍管を用いた 放射線の三次元測定 石神直大 澤野達哉 義川達人 March 11, 2009 CONTENTS 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. What is μ-PIC?（義川） Outline of our experiment（義川） 1st stage ~μ-PICと遊ぼう~（義川） 2nd stage ~2D-imaging入門~（義川、石神） 3rd stage ~3D-tracking&TPCmode~（石神） Final stage ~光トリガーへの道~（澤野） Conclusion（澤野） 1. What is μ-PIC? ・京都大学宇宙線研究室発のガス検出器 ・高い位置分解能 ・放電に対して安定 ・二次元画像装置 ~400μm間隔 50μm ピクセル拡大図 10cm (256ch) ドリフト面 10cm(256ch) 検出面 μ-PIC、μTPCの動作原理（荷電粒子入射の場合） ドリフト面 放射線 ASD (Cathode) 電子雲 電場 Anode Cathode (GND) 電子雪崩 Anode、Cathodeは256chずつ 適当にsumしたアナログ情報＋各チャンネルのデジタル情報 ASD (Anode) 2.Outline of our experiment ドリフト面 ・現行のμTPC ドリフト電子（信号①） →電子が到着した時間 放射線が入ってきた場所までは 分からない Ar+ 光電子 増倍管 光 Ar+ Ar+ eee- ） 信号② ）時刻差 ・本実験の目標 放射線がガスを電離する（信号②） →光が発生した時間 二つの信号から放射線の 絶対的な高さが分かる！ 時刻差 電子雪崩 検出面 信号① 3. First stage～μ-PICと遊ぼう～ まずはガス検出器としてμ-PICの性能を測定 線源55Feと109Cdで スペクトル測定を行う -550V GEM 0V -550V 550V 5mm ・ガスフロー型 検出面 0V ・ガスはアルゴン（90％）-エタン（10％） ・ガスパッケージは5mm（GEMをドリフト面に代用） ・ドリフト面に-550V、検出面に0V 波形取得の概念図 data 32ストリップ （161ch～192ch） Flash ADC GAIN AMPLIFIER μ-PIC CR PreAmp (Anode) No.31 RPV160 S/N.001 MODEL 777 CR START PreAmp ASD(時定数16ns) (Cathode) VETO WANT Amplifier Shaper Discriminator signal discri DISCRIMINATOR INTERRUPTER N-TM305 RPV130-177 VETO GIVE read write 遅らせる delay veto discriminator disable PC DELAY MODEL794 STOP ~800ｎs PC 波形取得からスペクトルへ 480 Area 電圧（mV） 400 320 STOP ～800ｎs(Delay) 240 Threshold（Discri） 160 ベースラインを決定 80 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 時間（nsec） ①FADCで波形データ取得 ②ベースライン決定 ③Areaの取得 ④ヒストグラム（by ROOT） 結果Ⅰ（スペクトル図） Background 109Cd 5.9keV 55Fe Escape 2.9keV CuKα 8.04keV 22.2keV （ベースライン80mV） 結果Ⅱ（エネルギー較正、分解能） エネルギー較正 E[keV] ax[ch] b E=ax+b a 9.2 103 a=9.09×10 b 0.63 －3 b=－0.399 分解能 (FWHM) 2.96keV・・・36.0％ 5.90keV・・・31.9% 8.04keV・・・36.5% 22.2keV・・・29.7% 分解能はあまり良くない ・・・ ひどい放電はなかったものの 電流状況は芳しくなかった μ-PICの増幅率（55Feの場合） ①放射線入射(5.9keV) ↓ ②Arガスを電離 ↓ ③一次電子生成 (5900/26～220個) ↓ ④μ-PICによる増幅 （これを求めたい） ↓ ⑤PreAmpによる増幅 （既知：～700倍） ↓ ⑥GAIM AMPによる増幅 （設定：2×8倍） ↓ ⑦データ（～700ch） ① Ar+ Ar+ ② Ar+ e- ④ e- e- ③ 電子雪崩 結果：1400倍 ⑥ ⑤ GAIN AMP ASD ・Ar(90%)+C2H6(10%) ・ドリフト面に-550V 検出面に0V ⑦ PC 4. Second stage～2D-imaging入門～ Memory BoardとEncoderを用いた2D-imagingの原理 Cathode 電子感知 Cathode X, Y, T threshold pulse Anode ASD (Cathode) Anode pulse ASD (Anode) μ-PIC Encoder Memory Board X,Y,(T) PC TPCモードは１００MHz 結果 鍵を置いてimagingに挑戦･･･果たして？ ？ First stageの放電対策の結果、有効検出面積が狭い 色々頑張ってみるものの、状況は改善せず・・・ 新しいμ–PICで再挑戦 新設備 前回まではガスフロー型であったが、 この設備からはガス封じ切り容器となる 内部にマントルが設置されており、 その位置特定を2D-imagingで行う。 3D-trackingへ 封じ切り容器内部 Drift面 μ-PIC31号 封じ切り容器(アルミニウム) ドリフト容器 (上面テフロン5mm 側面テフロン10mm) 銅線 （側面に９本） （10M抵抗×10コ設置） 10cm ？ 検出面 マントルがドリフト容器内の どこかに入っている 10cm 10cm マントル ・ガスランタンの芯に使用される ・マントル中には、放射性物質で あるトリウム（ 232Th ）が微量に 含まれている マントルの写真 マントルの位置が分かった！！！！ Anode側 [cm] このあたり Cathode側 [cm] 5. Third stage～3D-tracking&TPCモード～ 2D-imagingに”深さ”加えれば3Dになる！！ ・・・・ ・ ・Encoderから出力される時刻情報 ⇒電子が検出面へ到達した時刻 ・電子のドリフト速度 距離＝時刻差×ドリフト速度 ドリフト速度は4.2cm/μsec （Ar(90%)-C2H6(10%)1atm、0.35kV/cm） 3Dイメージングの原理 軌跡に沿って、次々と ガス分子を電離していく 電離した電子は、電場によって 検出面まで一定速度でドリフトする 放射線が ガス分子を電離 時刻情報と位置情報を組み合わせることで 飛跡のトラッキングができる！！ T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7軌跡 3D-trackingの図 10 0 z[cm] Anode[cm] 10 Cathode[cm] 10 Cathode[cm] 10 10 z[cm] 10 0 10 0 0 Anode[cm] 10 10 TPCモード ＴＰＣモードは、波形取得と 通常の3D-trackingの組み合わせ TPCモードでは、1イベントごとの波形と位置 データを同時に得ることができる 個々の放射線について エネルギーと飛距離の関係が議論できる TPCモードの概念図 時定数2ns GAINAMP preamp (Cathode) MODEL 777 ×8ch DISCRIMINATOR preamp (Anode) μ-PIC No.31 N-TM305 FADC VETO (rpv160) OR REPIC HOSHIN N007 TRIG STOP INTERRUPT LVDS←NIM GNN-231L RUN (rpv130) Encoder LVDS→NIM FPGA 波形データ REPIC FIN GNN-221L Memory Board HE 2687 PC 位置データ 封じ切り容器 ASD HV＆波形取得のための機器 TPCモード設置図 エンコーダー z[cm] Casode[cm] TPCモード出力例 Anode[cm] z[cm] z[cm] Cathode[cm] Anode[cm] 3ch ～ 8ch α線のエネルギーと飛距離 エネルギーと飛跡（シミュレーション） Ar90%+C2H610% 1atm 120 飛跡（mm） 100 80 60 40 20 0 0 2 4 6 エネルギー（MeV） 8 10 12 by SRIM マントルからのα線のエネルギーと飛距離の相関が 上図のようになっていることを期待 散布図 相関は概ねシミュレーション結果に対応 counts Path[mm] エネルギーのヒストグラムはよく分からない・・・・ 特にこの辺りが消える Energy[MeV] Path[mm] counts ・飛程の長さ(path)とイベントの 電荷量の合計(area)の散布図を描く ・同時にpathとareaのヒストグラムも描く ・eventをマントル付近に限る ・飛跡がギザギザしているeventを除く （シミュレーションの結果を見てエネルギ ー較正） Energy[MeV] 6. Final Stage～光トリガーへの道～ 従来のTPCの問題点 放射線飛跡の絶対的な 高さ情報が得られない 新しいTPCはPMTと連携して この問題を克服する 光生成の物理機構 Energy 封入したガスの励起分子が基底状態に 遷移するときにシンチレーション光を放出 励起状態 光 基底状態 Pure Arの場合 発光の平均波長は250nm 例えば、放射線である荷電粒子が ガス中を通過する際に励起される シンチレーション光から高さ情報を得る 荷電粒子 ガス分子を 電離＋励起 １ 放射線の入射時刻を取得 １と２の時間差から 高さを逆算 ドリフト 検出面 ２ ドリフト電子雲の到達時刻を取得 PMT 光電子増倍管 R2238 浜松ホトニクス製 ・管径：φ76 mm ・受光面サイズ：φ70 mm ・窓材質：ホウケイ酸ガラス ・光電面 種類：バイアルカリ ・感度波長：300nm~650nm ・感度波長ピーク：420nm ・最大定格電圧：1250V Anode側、Cathode側の対面側 計２か所に設置 ・ゲイン：5.0E+05 オシロスコープでPMTの信号を調べる μ-PICのアナログ信号 ＰＭＴの信号 1.3μsec 放射線入射時の光？ ドリフト電子の なだれ増幅による光 PMT A シンチレーション光の 解析方法 PMT B ＦＡＤＣでＰＭＴの信号を取得 ＴＰＣモードのときと 同じＤＡＱシステムを 引き続き使用 雪崩増幅のシンチ光発生から 最大2.5μsまでさかのぼって PMTのピーク信号を探す この時間差の 分布を調べる 時刻差のヒストグラム Peak Time ～ １.８ μs イベントをマントル付近 という条件(X-Y投影面)で抽出すると、 よりpeakが際立つ 1.8 [μs] × 4.2 [cm/μs] ~ 7.6 [cm] 高さ7.6cm付近に 電子雲が多く生成 マントル位置も この辺りか？ Y [mm] Y [mm] 放射線イメージング～3D ver.～ Z [mm] X [mm] Z [mm] 最も明るい位置は （９９mm,９mm,７７mm） やはりマントルの高さは、 検出面から約８cmであろう 次頁で答え合わせ X [mm] 実際のマントルの位置と比較 実際のマントルの位置は 検出面から8cmの高さ サイズは2cm程度だった 比較 結果は大成功！ マントルの３次元位置を 正しく特定できた！ Y [mm] 飛跡を見るとマントルの サイズも再現できている X [mm] Z [mm] Z [mm] Z [mm] Y [mm] 光トリガーを用いた3D-tracking X [mm] 時刻差のヒストグラム 再考 線源に近い電子雲が 前回の時間差分布は 検出面に到達する 線源の位置を与えない 時間差の分布を調べる このピークは線源の 位置を与える 線源 今回調べる時間差 前回調べた時間差 検出面 検出面に近いほうの時刻差をとる 線源に近いほうの時刻差をとる 線源のコアの高さを定量的に評価 Fit with Gaussian Constant:3.16E+2 Mean:1.83E+2 Signa:1.73E+1 高さは7.69cm±0.72cm AAand or B BB A PMT:B 21.9% 34.1% 53.1% 2.9% 17.3% 42.0% 57.6% 1.7% 22.1% 37.8% 57.9% 2.0% 35.3% 26.0% 56.7% 4.6% 24.0% 26.5% 48.9% 1.6% 26.1% 30.2% 55.0% 1.3% 39.7% 24.9% 61.8% 2.8% 28.7% 24.2% 51.6% 1.3% 21.1% 19.9% 40.3% 0.6% の検出効率 全体的な検出効率 40~60％程度 Anode[mm] Efficiency % 各領域ごとの PMT:A 放射線1イベントの 重心位置 VS プライマリ光の 検出効率 Cathode[mm] プライマリ光の検出効率 7. Conclusion できたこと ・μ-PICを用いたエネルギースペクトルの取得 ・ガス増幅率の決定 ・2D-imaging ・3D-tracking ・放射線飛程とエネルギーの相関の確認 ・光トリガーを用いた3D-tracking及び3D-imaging ・光トリガーの検出効率の計測 できなかったこと ・TPCモードでのエネルギー較正 おしまい 予備スライド ・1chは、(1/256)V×10nsに相当 V Q t R 10 10 9 1 256 V sec 50 7.8 1013 C ch ・FADCから得られるAreaは平均700ch程度 7.8 1013 C ch 700ch 0.55nC ∴ 0.55nC 2 8 700 2201.6 1019 C 1400 1400倍 2D-imaging取得の概念図 Anode、Cathode位置対応 Anode1とCathode1のケーブルを引っ こ抜いてbgをとり、それぞれが図上の どの位置に対応するか確認。 A8 A7 A6 A5 A4 Anord1が下端 Cathode1が左端に対応。 A3 A2 A1 C1 ~ C8 C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 C 7 C 8 μ-PICの放電 μ-PICの使用を開始した矢先、問題発生！ そもそも放電に伴うノイズのために 放電が止まらない・・・・・ 信号の読み取りができない 検出面 AnodeとCathodeが導通してしまい電流がバシバシ漏れる Anodeに実際に掛かる有効な電圧が減少 ゲインの低下 増幅率の減少 エネルギー分解能の低下 放電への対処 μ-PICにHVを供給する部分の抵抗（ジャンパー） を外して放電の影響を抑える μ-PICの特性である高い位置分解能は失われる・・・ ジャンパー外し CR基盤 （Anode） ・ジャンパーとμ-PICのピクセ ルは１対１対応 ・放電が起こっているピクセル のジャンパーを外すことで、 読み取る際に放電の影響を カットできる ・ これにより、そのピクセルか らの信号は入らなくなる メガ抵抗を外す その他は死んでいる状態 ここだけ生きている ・なおメガ抵抗一つは１６個の ジャンパーをまとめている このメガ抵抗だけ生かす ドリフト速度のsimulation 電子の到達した時間（T1～T7）が 飛跡の深さに関する情報となる 到達時間 ＋ 2D-imaging ＆ ドリフト速度 ３D-tracking ※ただし、放射線の進行方向はこの方法では特定できない 放射線の走る速度は十分に速く放射線による 一次電子は同時に作られると考えてよいために ３Dトラッキングが可能となる これで分かるのは二次元の位置と深さ情報だけである 放射線入射時に光が出る原理 ・放射線はガス中でエネルギーを失うが、これはガスの束縛電子 とのCoulomb散乱によるものである（荷電粒子の場合） ・散乱の際にガス分子を励起し、シンチレーション光が出る。Pure Arだと紫外域よりも波長が短いが、エタンが混ざることで、紫外 域にまで波長が伸びることが知られている。 ・今回使用したPMTの感度領域は300nm～650nm（紫外～可視 光）であり、最大感度は420nmのところにある ・今回使用したガスのArは可視光領域の特性X線を持たない 内壁の電場形成 真空容器 全体像 ヒストグラム比較 1~8chのsum 3~8chのsum イベントをマントル付近に限定 ・FDACの入力チャンネ ル数は8ch ・2ch分を光トリガーに 使用するため、μPICからのアナログ 信号を2ch分捨てる ・chを捨ててもヒストグ ラムの形や位置は 変わらない 変なやつがいる エンコーダーの仕様で、真縦に走るとこうなる？ Fittingの実際（Cdの場合） Fittingの実際（Feの場合） エネルギー分解能 vs. エネルギー TPCモード概念図 FADC1 FADC2 Discri1 Discri2 FADCのうち、一番早いのがTRIGになる OR INTR→ENCORD RUN VETO 解除 VETO in FADCstop 8μsec INTR 25μsec
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