宇宙線を用いた CsI結晶の基本研究 佐賀大学物理科学科４年 高エネルギー研究室所属 太田智之 1 2010年2月28日日曜日 研究の目的 本研究室では中性K中間子稀崩壊実験(J-PARC E14 KOTO 実験)における高レートγ線検出器(CC03)の開発に携わってお り、そのシンチレータとしてCsI結晶を使用している。 今回の研究では宇宙線の基礎を学び、CsI結晶とそれに巻 く反射材の特性を宇宙線を用いて評価することを目的とす る。 2 2010年2月28日日曜日 発表の流れ 宇宙線を用いたCsI結晶の基本研究 基礎 宇宙線 シンチレーション検出器 PMTの較正 PMTの較正(較正方法) 測定手順 CsI(Pure) 反射材 データの単位変換 PMTの較正(結果) 各反射材でのCsIの光量測定結果 各反射材での波形測定結果 まとめ 2010年2月28日日曜日 3 宇宙線 基礎 e± , γ(軟成分) P １次宇宙線 µ 粒子 (硬成分) 鉛 10cm 40km ２次宇宙線 •荷電レプトン π- π0 π+ K± γ •スピン1/2 γ 10km •平均寿命約2.2[us] 相対論的効果で •質量105.7[Mev/c2] 地表で観測可能 •強い相互作用起こさない νu μ- 5km μ+ νµ μ ν µ νe e+ µ ν e νu e+ 宇宙線の強度は µ− →e− + ν e + νµ µ+ →e+ + νe + ν µ 鉛直方向が一番強く 飛来頻度が高い ※確認済み -3km 地表では 粒子は全体の約75% 2010年2月28日日曜日 3体崩壊 CsIの光量測定に使用 4 Cosmic Ray シンチレーション検出器 シンチレータ クーロン力 光電効果 運動エネルギー 荷電粒子 損失 励起 軌道電子 光陰極 制動放射 PMT(Photomultiplier) 陽極 e光電子 ダイノード 全反射 蛍光 印加電圧 透過 反射材 電荷積分 Analog 透過しない Gate (するものもある) 集光効率UP 2010年2月28日日曜日 5 CsI(Pure) 一般的にγ線検出に使われるNaI(TI)との比較 放射長 線阻止能 減衰時間 [cm] [MeV/cm] [ns] NaI(TI) 2.59 4.8 230 100 410 CsI(Pure) 1.86 5.6 35 3.6 420 発光量 最大放出 波長[nm] •放射長短い→相互作用しやすい→γ線の検出効率よい 立方晶 •減衰時間短い→高い計数率で測定ができる (2.5×2.5×25[㎤]) CsI(Pure)は高性能なγ線検出を可能とする ただし •潮解性がある •変形しやすい 6 2010年2月28日日曜日 反射材 •Aluminized Mylar(0.02mm):アルミ蒸着されたポリエステルフィルム •Teflon(0.07mm):ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、もしくはフッ素樹脂 •WhitePET(0.15mm):波長変換シート •Gore-Tex(0.2mm):ポリテトラフルオロエチレンのフィルムとポリウレタンを複合化したもの WhitePET ブラックライト 波長変換 Teflon Aluminized Mylar WhitePET ランダムな折り目の繊維 Gore-Tex 検出への影響 光を乱反射させて戻すが透過の可能性有り 7 2010年2月28日日曜日 測定手順 1.CsIを研磨 2.CsIに各反射材を巻く 3.CsIの5点を宇宙線で測定(先端から2cm,7cm,12.5cm,15cm,23cm) 4.データ解析 乾燥環境下で測定 光もれを防ぐため暗箱の中で実験を行う。 測定点 2cm 7cm 12.5cm 15cm 23cm CsI(2.5×2.5×25[㎤]) 25cm 2010年2月28日日曜日 PMT 8 電荷積分値を光電子量に変換 h1 Entries 327 Mean 520.3 RMS 156.2 ! 2 / ndf 31.8 / 36 Prob 0.6684 Constant 161 ± 13.7 MPV 446.9 ± 3.3 Sigma 25.97 ± 1.77 35 30 25 理論曲線 20 15 10 電荷積分値[ch] Up_Trigger1 Intensity Intencity SampleB 測定データサンプル Me 40 RM 35 30 このままでは光電子量として評 25 20 価できない。 15 10 単位を変換する必要がある。 5 5 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 ADC1[ch] 宇宙線は大きなエネルギー損失 側に尾を引く分布をする。 (Landau分布) 00 ch 50 100 150 200 250 300 350 p.e./14MeV 400 240 Ent 220 Me 200 RM CsI(厚み2.5cm)を通過した宇宙線 180 160 がどのくらい光電子をだすか 140 120 100 2010年2月28日日曜日 450 Up_Trigger2 Intensity 00 Ent 45 80 9 PMTの較正 目的:１つの光電子(1[p.e.])に対応するADC量(x[ch])を求める 方法 1. LEDの光をAttenuatorで減衰 2. 1の光をPMTに当てる LED 光ファイバー 3. オシロスコープでPMTの信号をみる 4. 1[p.e.]程度の信号を確認 5. データ収集、解析 光ファイバー オシロスコープでの画像 2010年2月28日日曜日 10 PMTの較正(解析方法) ポアソン分布 理論曲線 ガウス分布 n x−(P3 )n−P4 � 1 e−P1 (P1 )n − 2n(P 2 2) √ × e ] f (x) = (P0 )× [ n! (P2 ) 2nπ n=1 Sample Width45ns_4db Intensity 600 Pedestal 500 h1 Entries Mean 273.1 RMS 11.68 !2 / ndf Prob 400 10000 15.69 / 23 0.8681 p0 1.098e+04 ± 426 p1 1.761 ± 0.236 p2 5.823 ± 0.610 p3 8.247 ± 0.741 p4 260.1 ± 0.6 P0:全体のnormalization P1:光電子の平均個数 P2:PMT増幅による広がり P3:1[p.e.]に対応するADCのch数 P4:Pedestal 300 実際の測定ではポアソン分布に、PMTの 200 分解能のせいでそれぞれ広がりを持ち、 100 ポアソン分布とガウス分布を重ね合わせ 0 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 ADC1(ch) 2 3 1 2010年2月28日日曜日 たような形になる。 11 PMTの較正(結果) 1[p.e.]ピーク Intencity Width50ns_Atte4db 300 250 h1 ATTE:0db 200 150 100 50 0 200 220 240 260 280 300 320 Entries Mean RMS ! 2 / ndf Prob p0 p1 p2 p3 p4340 360 Intensity Width49ns_Atte4db 350 300 h2 ATTE:1db 250 200 150 100 50 0200 220 240 260 280 300 320 Entries Mean RMS ! 2 / ndf Prob p0 p1 p2 p3 p4340 360 Intensity 400 350 ATTE:2db 300 250 200 150 100 50 0 200 220 240 260 280 300 320 Entries Mean RMS ! 2 / ndf Prob p0 p1 p2 p3 p4340 360 Intensity Width45ns_Atte4db 600 500 ATTE:3db 300 200 100 Intensity Width40ns_Atte4db 900 800 220 240 260 280 300 320 ATTE:4db 600 500 400 300 200 100 220 240 Entries Mean RMS ! 2 / ndf Prob p0 p1 p2 p3 p4340 360 260 280 300 320 Entries Mean RMS ! 2 / ndf Prob p0 p1 p2 p3 p4340 Intensity 1200 1000 10000 273.1 11.71 15.69 / 23 0.8681 1.098e+04 ± 426 1.761 ± 0.236 5.823 ± 0.610 8.247 ± 0.741 400 ADC1(ch)260.1 ± 0.6 380 10000 269.1 9.505 39.91 / 15 0.0004672 2.721e+04 ± 5893 0.4147 ± 0.1369 8.916 ± 0.853 28.93 ± 12.51 400 239.3 ± 12.7 ADC1(ch) h6 ATTE:5db 800 600 400 200 0 200 380 360 Width30ns_Atte4db 1400 220 2010年2月28日日曜日 240 P3の推定値=9.52±0.36[ch] Ampが10倍 1 p.e.=9.52/10≒0.95[ch] h5 700 0200 380 10000 274.5 12.74 22.71 / 23 0.4776 1.085e+04 ± 345 1.804 ± 0.122 5.032 ± 0.474 9.74 ± 0.42 400 258.9 ± 0.4 ADC1(ch) h4 400 0 200 380 10000 277.4 13.46 26.26 / 23 0.2887 1.344e+04 ± 1980 1.445 ± 0.427 7.796 ± 1.088 12.62 ± 3.80 400 258.3 ± 2.9 ADC1(ch) h3 Width48ns_Atte4db 450 380 10000 281.5 14.97 29.58 / 23 0.1619 1.316e+04 ± 543 2.239 ± 0.476 7.218 ± 1.039 11.04 ± 1.75 400 ADC1(ch)260.1 ± 1.0 260 280 300 320 Entries Mean RMS ! 2 / ndf Prob p0 p1 p2 p3 p4340 360 380 10000 264 5.781 72.64 / 10 1.37e-11 3.458e+05 ± 274410 2.275 ± 0.546 20.48 ± 2.60 -15.36 ± 5.07 400 ADC1(ch)243.2 ± 5.1 14[MeV]当りの光電子数 として評価できる。 12 各反射材でのCsIの光量測定結果 sampleC_measure_by_cosmic_ray 各反射材での光量,位置依存性比較 p.e./14MeV 600 Uniformity Entries 0 Alminized_plot Mean x 0Mylar Aluminized Mean y 0 WhitePET_plot RMS x 0 WhitePET RMS y 0 SampleC one_teflon Teflon(１巻き) two_Teflon Teflon(２巻き) Gore_Tex Gore-Tex 反射材なし nothing p[0]=6.268145,p[1]=-0.022085 L(x)=L ×exp(A×x) p[0]=6.271083,p[1]=-0.007470 0 p[0]=6.153129,p[1]=-0.016391 定数 減衰係数 p[0]=6.117134,p[1]=-0.014992 100 0 PMT p[0]=6.204220,p[1]=-0.018075 5 10 15 20 25 distance from the PMT (cm) CsI(2.5×2.5×25[㎤]) p[0]=5.489044,p[1]=-0.020867 13 2010年2月28日日曜日 考察 反射材 減衰係数 なし 0.021 WhitePET 0.0075 Aluminized Mylar 0.022 Teflon1巻き 0.016 Teflon2巻き 0.015 GoreTex 0.018 減衰係数が高いと... 同じエネルギー の粒子 CsI(2.5×2.5×25[㎤]) PMT 測定光量が違うため エネルギーの違う粒子として誤認 減衰係数が高いと測定精度低くなる! •WhitePETは減衰係数低く、光量が高い 測定精度が高い可能性 •Teflon１巻き2巻きでは光量も減衰係数も大差ない 透過はほぼない 2010年2月28日日曜日 波形を確認 14 各反射材での波形測定 →[nsec] 10% 先の結果で Aluminized MylarとWhitePET が 顕著に減衰係数と光量に差がみられたので オシロスコープで波形測定(先端から2cm) 測定領域 10% 128回波形測定平均 反射材無し 立ち上がり時間 Aluminized Mylar 立ち下がり時間 WhitePET 波高 目的の信号 2010年2月28日日曜日 確認用の信号 15 考察 反射材 波形の幅[ns] 波高 なし 19.10 200 WhitePET 27.53 292 Aluminized Mylar 27.55 296 Aluminized MylarとWhitePETの波形に顕著な差は見られなかった 。 オシロスコープでの波形測定では、波高の10%（根元部分）を測定してい ないので、その部分がADCでの測定（電荷積分値）では光量の差として 効いてきたのではないか。 16 2010年2月28日日曜日 まとめ •WhitePETが波形が他の反射材とほぼ同じにも関わらず、 光量が高く減衰係数が低いのは、γ線検出器(CsI(Pure))の反射 材としては好ましい。 •オシロスコープの測定能力では厳密な波形評価とは言いが たい。他の方法でも波形測定する必要性あり。 17 2010年2月28日日曜日 終了 18 2010年2月28日日曜日
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