重 RI ビーム粒子識別用全エネルギー検出器の開発

　　　　　　東北大学大学院　理学研究科　

物理学専攻　原子核物理　　　　　　　　　　遠藤　奈津美

RI ビームを用いた原子核実験 @RIBF(2007-)領域：　エネルギー：　 250-300 MeV/A　質量数 A ：　＜ U （電荷状態の制限から ＜ 100 ）

物理　電磁破砕反応：　 (γ,n), (γ,p)… （ソフト ) 巨大共鳴： 集団運動　　 非共鳴励起 ： 一粒子運動

　核子散乱 ：　 (p,p), (p,p’), 　　　　　　　　　　　　　　　　　 (p,2p), (p,d)…　　　基底 / 励起状態の核構造

技術　前方に放出される入射核破砕片の測定　特に粒子識別：　 (Z 、 A) の同定

　　

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Nγ(Eγ)

σγ(Eγ) Pdecay

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　　　　粒子識別の方法

① 電荷／運動量／速度

② 電荷／運動量／全エネルギー

質量数 A → 運動量 R 、電荷 Z 、全エネルギー E　

　

精度： σE/E 〜 0.1% ← σA/A=0.2/100 ↓

高精度全運動エネルギー検出器の開発高精度全運動エネルギー検出器の開発

€

σAA= γ+1( )2σRR

⎛ ⎝ ⎜ ⎞

⎠ ⎟2+γ+1( )2σZZ

⎛ ⎝ ⎜ ⎞

⎠ ⎟2+γ2σEE

⎛ ⎝ ⎜ ⎞

⎠ ⎟2

高精度全エネルギー検出器の候補ε(eV) 検出器本体 前置回路

Ge 検出器 ( 半導体 )

3 固体電離箱 電荷積分型前置増幅器(pre amp)

+整形増幅器

(shaping amp)

NaI(Tl) 検出器( シンチレーション )

25 NaI(Tl)+ 光電子増倍管

CsI(Tl) 検出器( シンチレーション )

56 CsI(Tl)+Photo diode

⇩

Ge 検出器　　：　高エネルギー分解能 (ε=3eV) 　　　　 CsI(Tl) 検出器：　大型化、安定動作　

　　 Vout=Q/Cf 　〜 50V/1GeV ＠ Cf=1pF 　 　　→ = Q/(Cf+Cf

’) 　 Cf’=10 〜 500pF

　 τ=CR 〜 (Cf+Cf’){RfRf

’/(Rf+Rf’)}=100 〜 500μsec 　　　　　

　　　　　　　　　　

Rf’

Cf’

Rf

Cf

+HV

Ge

CsI(Tl)-PDQ Vout

(CR) (RC)2 〜 4

ADC

τ=2〜 10μsec

Pre amp

hybrid

Shaping amp

全エネルギー≧数〜数十 GeV 用の前置増幅器

実験場所　

HIMAC (Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba) 加速器

放射線医学総合研究所

実験方法

E0 ← B2(D2) エネルギー　

損失 (Al 真空　隔壁、 SF3 、Si)

E

40Ar 、 84Kr 一次ビーム400MeV/A

D1 D2

F1

F2

β

SF1

SF3Al 真空隔壁

wedge

Be 標的二次ビーム

Si

Ge/CsI

ΔE〜 Z2/β2

E

E0

選択

E

σE

Δp/pD 〜 2cm/%

ADC channel

TOF

Si counts

Ge/CsIスペクトル

分解能

　 σE/E

SB2

TOF

ΔE/E=±0.06% 　＠ ±1mm

Ge 検出器特徴 長所： NaI(Tl) 検出器と比較して分解能が良い

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 60Co 1.33MeV→σE=0.63keV　　　　　　　　　　　 40Ar 250MeV/A×40=10GeV→ σE=60keV　　　　　　　　　　　 84Kr 250MeV/A×84=21GeV→ σE=80keV

　　　　　　　→ σE/E=(4 〜 6)×10-4 % 　

短所：高価　　　 結晶の大きさに制限　　　 放射線損傷　　　 扱いが大変 ( 真空、冷却 )

Ge 検出器の測定原理液体窒素 　　平衡温度 98K

真空計

Cu

Ge

Si

Beam

真空チェンバー

到達真空度　　〜 10-7Torr

ΔV=eN/C (C:Ge の静電容量、 e: 素電荷、N:電子正孔対の数 )

→ΔQ=CΔV=eN ∝ E( エネルギー )

P+ n+

++--

-

--

+

+

+

Pre ampへ

荷電粒子

逆バイアス

空乏層

Ge結晶 　　　　　　　　　 セットアップGe-thick 　 semi-planar

Ge-thin 　 planar

35mm

60φ

60φ 10mm

Pre amp142AG(ORTEC)Cf220pF、 Rf1.5MΩ

Pre amp595H(clear pulse)Cf510pF、 Rf1MΩ

Ge-thick ＠ 170V 　ビーム試験 40Ar 二次ビーム

解析　粒子の選択　 38S(Z=16)

　 B2ρ ２＝ 3.57Tmより F2でのエネルギー 104MeV/A

↓

Ge の入射エネルギー 81MeV/A (R=2.4mm)

エネルギー損失 (Al 真空隔壁、 F3プラシンチ、 BDC 、入射窓マイラー、 Si)

→ 　分解能

(HV 、 F1slit 幅、F2slit 幅、入射角依存性 )

ADC channel

counts

TOF

Si

Ge-thick 　 　　　定格電圧 :4000V 　　リーク電流大で 250V 　までしかかけられない

Si スペクトル

Ge-thin ＠ 1000V 　ビーム試験 84Kr 二次ビーム

解析　粒子の選択　 80As(Z=33)

　 B2ρ ２＝ 5.85Tmより F2でのエネルギー 248MeV/A

↓

Ge の入射エネルギー 231MeV/A (R=7.3mm)

エネルギー損失 (Al 真空隔壁、 F3プラシンチ、 BDC 、入射窓マイラー、 Si)

→ 　分解能

(D2 、 F1slit 幅依存性 )

ADC channel

counts

TOF

Si

Ge-thin 　　　　　　　定格電圧 :1000V 　　　

Si スペクトル

ビーム試験　結果と考察Ge-thick 170VF1slit ±0.5mm (actual 0.85mm)

↓

σE/E=0.35% ＠ 3GeV

問題　

1. HV がかからない　

2. σE/E=0.3%は何で決まっているか

beam 、 straggling ： OK ?　 Pre amp Cf 大 ?

ADC channel

counts

Ge スペクトル

CsI(Tl) 検出器　 NaI(Tl) 検出器との比較　 NaI(Tl) 検出器 CsI(Tl) 検出器潮解性 有り ＜ 無し (扱いが容易 )蛍光寿命 (τ) 0.2μsec ＞

　1μsec

密度 (ρ) 3.67g/cm3 ＜ 4.51g/cm3

光の波長 (λ) 415nm光電子増倍管(gain 高い )

540nmPhoto diode

分解能

ε 25eV＜ ?

56eV

変換効率 20% 80 〜 100%

光電子数 NaI(Tl) の 2 倍

光の波長領域

CsI(Tl) 検出器の測定原理

Pre ampへ

遮光ケース

荷電粒子

CsI結晶

102×50 [ 鏡 ]

302×40 [ 鏡 / スリ ]

403 [ 鏡 / スリ ] (40cube)

503 [ 鏡 ]　 (50cube)

Photo diode

102(200 、 300μmt) 　　　　　　　 :50V

182 (300μmt):100V

282 (300μmt):100V

反射材 (アルミホイル、紙、 3M-ESR)

結晶表面　　　　(鏡面、スリガラス )

ライトガイド

グリス

102×50小型結晶のテスト　 (Photo diode 102 　　　　　 pr

e amp 142A Cf1pF)

反射材に 3M-ESR 　 →アルミホイルの 2倍の分解能

表面状態はスリガラスより鏡面　　　　⇩

◆結晶、 Photo diode の　大型化 ( 集光、容量 )

◆Pre amp の Cf 大

Pre amp ハイブリッド1. Clear Pulse CS515-12. SOSHIN CS AMP-33. HOHSHIN N012-1 CS515-1

CS AMP-3

N012-1

組み込む基板作成 γ 線源 (60Co)でテスト　　

→分解能 Cf

’ 大きくし、動作確認

→ビーム試験で使用する pre amp決定

Cf’ 、 Rf

’

Cf’ 、 Rf

’

Cf’ 、 Rf

’

Pre amp の決定

Cf’

CS 515-1

CS AMP-3

N012-1

1pF ○ ○ ○

10pF ○ ○ ○

100pF

○ ○ ×

→ 　 CsI ： CS515-1 に Cf’=100pF 、 Rf

’=1MΩ

　　 Si ： N012-1 に Cf’=10pF 、 Rf

’=10MΩ

40cube スリガラスPre amp Cf

’=1pF+ PD 282

反射材3M-ESR→アルミホイルではわかれなかった 60Coの二つのピークが見える(40Cube スリガラス +PD 282 、 ORTEC142A Cf=1pF)

表面状態鏡面よりスリガラス大型結晶で 60Co の 2つのピークがわかれる(40cube+PD282 3M-ESR 、 CS515-1 Cf=1pF)

大型結晶のテスト

小型：鏡面 大型：スリガラス

ライトガイドライトガイドをつけることにより、分解能良くなる(50cube鏡面 3M-ESR 、 N01

2-1 Cf=1pF) 　

　　　大型結晶でも　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　反射材： 3M-ESR フィルム　　　　　　　　　　　ライトガイドつける

⇩

　　 60Co のふたつのピークがわかれるようになる

ビーム試験結晶と Photo diode の組み合わせ

CsI 50cube(鏡面 ) + LG 　　　　　　 + PD 182

CsI 50cube(鏡面 ) + LG 　　　　　　 + PD 282

CsI 40cube(鏡面 ) + PD 282

CsI 40cube( スリガラス ) 　　　　　　 + PD 282

CsI 40cube( スリガラス ) 　　　　 + LG + PD 182

CsI 182×40( スリガラス ) + PD 182

CsI 182×40( スリガラス ) + PD 282

セットアップ

アルミ箱

40Ar 二次ビーム 解析　粒子の選択　 37S(Z=16)

　 B2ρ ２＝ 5.78Tmより F2でのエネルギー 264MeV/A

↓

CsI の入射エネルギー 254MeV/A (R=2.1cm)

エネルギー損失 (Al 真空隔壁、 F3プラシンチ、 BDC 、入射窓アルミホイル、 Si)

→ 　分解能

(F1slit 幅、 shaping time依存性 )

ADC channel

counts

TOF

SiSi スペクトル

klab:klab:

84Kr 二次ビーム 解析　粒子の選択　 82Se(Z=34)　

　 B2ρ ２＝ 6.11Tmより F2でのエネルギー 270MeV/A

↓

CsI の入射エネルギー 243MeV/A (R=1.0cm)

エネルギー損失 (Al 真空隔壁、 F3プラシンチ、 BDC 、入射窓アルミホイル、 Si)

ADC channel

counts

TOF

Si

Si スペクトル

ビーム試験　結果　　 37S(Z=16) 82Se(Z=34)

σE/E=0.36%　　＠ 20GeV

　　 CsI 50cube(鏡面 ) 　　　　　 CsI 40cube( スリガラス )　　　　　 + LG + PD 282 + LG + PD 182

ADC channel

ADC channel

counts

counts

σE/E=0.35% ＠ 9GeV

CsI スペクトル CsI スペクトル

分解能： 全エネルギー依存性

B2ρ ２＝ 6.11Tmより F2でのエネルギー 308MeV/A

↓

CsI の入射エネルギー 295MeV/A (R=2.0cm)

エネルギー損失 (Al 真空隔壁、 F3プラシンチ、 BDC 、入射窓アルミホイル、 Si)

TOF

Si84Kr 二次ビーム

粒子の選択　 47Sc(Z=21)

CsI 40cube( スリガラス ) + LG + PD 182

σE/E=0.39%　　＠ 14GeV

CsI スペクトル

counts

ADC channel

47Sc(Z=21)84Se 47Sc

σE/E 0.36% 0.39%

E 20GeV 14GeV

分解能　：　全エネルギーに　　　　　　　あまり依存しない

スケール：　飽和

まとめエネルギー 200-350MeV/A 、質量数 20-100 領域の

重 RI ビーム実験で粒子識別に用いる高精度全エネルギー検出器の開発高精度全エネルギー検出器の開発

40Ar 、 84Kr 二次ビームで試験Ge 検出器　→　 σE/E=0.35% ＠ 3GeV

CsI(Tl) 検出器　→　 σE/E= 0.34% ＠ 20GeV

＞ 0.1%(A=100) 原因　 Ge ： 表面の汚れ ? 　　　 CsI(Tl) 　 ：　結晶中での飽和　　　　　　　　　 Photo diodeでの電荷収集　　　 Ge/CsI(Tl) ： 回路 (pre amp の Cf 大 ) 　？

　 CsI(Tl) の動作パラメータ•Pre amp Cf の増大： 速い回路では不安定（発振）、遅い HybridではOK 分解能への効果？•Photo diode 面積、容量： 明確な相関見えない•結晶表面 鏡面（小型）、スリガラス /Diffuser （大型）•反射材 高反射率の 3M-ESR•集光 (受光 )割合、ライトガイド 高く、ゆるやかにしぼる•全エネルギー 依存性弱•ビームエネルギー幅 (F1 スリット幅） ほぼ予想通り

調べていない部分

•CsI(Tl)中での発光量の飽和　　 傾向は見えている。 定量的には？•Photodiodeでの電荷収集　　 HV=0/FULL で few倍しか変わらない•回路？　　大容量検出器＋大容量 Cf

　　 殆ど前例が無い

大立体角磁気分析器

中性子検出器

入射ＲＩビーム（ BigRIPS より）

標的

陽子 重入射核破砕片

中性子

真空箱

超伝導コイル

磁極（直径 2m)

リターンヨーク

焦点面検出器

回転台

大型超伝導電磁石（磁場３テスラ）