2.5MeV 単色中性子に対するTGC の動作特性の研究

2005 年 9 月 15 日喜家村裕宣、越智敦彦（神戸大）

大下英敏、竹下徹（信州大）岩崎博行、田中秀治（ KEK ）

金子純一（北大）落合健太郎、中尾誠（原研 FNS ）

他 ATLASTGC グループ

2005/9/15

目次 目的 研究項目 実験セットアップ 実験結果

中性子感度 出力電荷量

2.5MeV と 14MeV CO2 と CF4

放電レート まとめと考察

2005/9/15

目的 ATLAS 実験で TGC は、　数 kHz/c

m2 の中性子バックグラウンドに曝されることが予想される。

中性子による TGC への影響 問題になるのは数 MeV の中性子。 中性子入射により、陽子や原子核がは

じき出され、 TGC 内に大きなエネルギーを落とし、大きなパルスを作る。

　 → TGC の安定動作への悪影響　　　（放電、早期劣化など）が懸念される。

　 → 中性子に対する動作特性の研究が必要。

ATLAS 検出器 1/4 図

TGCs

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シミュレーション結果

過去に行われたシミュレーションの結果から、

　　 4MeV 付近を境に　　中性子との反応により陽子、　　

　原子核を出す主な物質が変わる　　ことが示されている。

　　　

中性子感度（シミュレーションデータ）

中性子のエネルギー ガスの混合比、種類　　を変えて調査。

Ref: H. Nanjo, et al., Nucl. Instr. and Meth. A543(2005) 441

FR4

GAS

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研究項目 中性子エネルギーに対する依存性

2004 年 9 月に行った 14MeV の中性子による測定結果

2005 年 5 月に行った 2.5MeV の中性子による測定結果

　を比較し、様々なエネルギースペクトルの中性子に　対する TGC の動作特性の研究を行う。

ガススタディ ATLAS 実験で使用される CO2+n-Pentane クエンチ能力の高い CF4+n-Pentane

を用いて、各ガスの中性子に対する耐性の研究を行う。

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測定項目 中性子感度

（信号を形成した中性子の数） / （入射した中性子の数）

出力電荷量 中性子による出力電荷量データの取得。 出力電荷量分布の研究。

放電レート 中性子入社時の TGC のカレント状態の把握。

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実験セットアップ 日本原子力研究所 FNS にて。　 （ FNS ＝ Fusion Neutronics Source ） D-D 反応により 2.5MeV 単色中性子を照射。　 → 中性子の他に γ も出る。 発生した中性子数は常時モニター。

反応名 反応式（単位は MeV ）D-D 反応 D + D → 3He （ 0.82 ） + 1n

（ 2.45 ）

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写真

ターゲット

TGC

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測定結果

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中性子感度

シミュレーションの値とほぼ合っている。 14MeV と 2.5MeV のどちらのエネルギーについて

も、ガスの違いによる顕著な差は見られなかった。

SimulationCO2+n-P CF4+n-P

SimulationCF4+n-P

CO2+n-P

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.7％

2.5MeV14MeV

縦軸：中性子感度（％）

ガス混合比：55:45

Simulation: 　CO2+n-Pentaneのシミュレーションデータ

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2.5MeV-3.0kV

14MeV-3.0kV 14MeV-3.3kV

2.5MeV-3.3kV

γn

出力電荷量分布① 横軸：出力電荷量（ pC ） 縦軸：イベント数

中性子のエネルギーへの依存性の研究。

γ と中性子のピークがはっきりと区別できる。

ガスゲインを変えても、　分布にほとんど差はない。

中性子のエネルギーが　5.6 倍違っても、　　　　　　出力電荷量にはほとんど　差がない。

　→ 中性子信号はすでに　　　サチュレートしてい

る。ガス： CO2+n-Pentane （ 55:45 ）

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出力電荷量分布②

2.7kV 3.0kV

CO2+n-Pentane（ 55:45）

CF4+n-Pentane（ 55:45）

2.7kV 3.0kV

横軸：出力電荷量（ pC ）

縦軸：イベント数

ガスへの依存性の研究。

CF4 ベースのガスの方が、 中性子に対する出力電

荷量が小さい。 中性子信号が CO2 ベー

スのガスに比べて早くサチュレートする。

→ 中性子による大きなパルス　が出にくい。

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出力電荷量

CF4 ベースのガスの方が、 CO2 ベースのガスより中性子に対する出力電荷量が小さい。

MIP に対する出力電荷量は CO2 、 CF4 に差はない。 中性子に対する出力電荷量は、 MIP に対する出力電荷量の　　 CO2 で約 70 倍、 CF4 で約 30 倍。

024681012141618

2.7 2.8 2.9 3 3.1 3.2 3.3

kV

pCCO2+n-P 55:45CO2+n-P 70:30CF4+n-P 55:45CF4+n-P 70:30

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放電レート TGC に流れるカレントを 100Hz でモニター。 記録したデータの中で、 3uA を超える電流が流

れた回数をカウント。

HV Voltage

Current

Monitor Sample

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放電レート① CO2+n-Pentane を流入したときの、

2.5MeV と 14MeV での放電レート

CO2+n-P 55:45

1.00E- 111.00E- 101.00E- 091.00E- 081.00E- 071.00E- 061.00E- 051.00E- 041.00E- 031.00E- 021.00E- 011.00E+00

2.5 3 3.5 4 4.5 5kV

count/neutron

2.5MeV14MeV

放電なし

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放電レート② CF4+n-Pentane を流入したときの、

2.5MeV と 14MeV での放電レートCF4+n-P 55:45

1.00E- 111.00E- 101.00E- 091.00E- 081.00E- 071.00E- 061.00E- 051.00E- 041.00E- 031.00E- 021.00E- 011.00E+00

2.5 3 3.5 4 4.5 5kV

count/neutron

2.5MeV14MeV

2005/9/15

放電レート③ 2.5MeV での各ガス流入時の放電レート

2.5MeV gas type

1.00E- 111.00E- 101.00E- 091.00E- 081.00E- 071.00E- 061.00E- 051.00E- 041.00E- 031.00E- 021.00E- 011.00E+00

2.5 3 3.5 4 4.5 5

kV

count/neutron

CO2+n-P 55:45CF4+n-P 55:45CO2+n-P 70:30CF4+n-P 70:30

2005/9/15

放電レートのまとめ 中性子エネルギーが低い方が、放電が起こ

りにくい。 CO2 ベースのガスより、 CF4 ベースのガ

スの方が放電が起こりにくい。 実験を通して、トリップするほど大きな放

電はなかった。 放電レートはどのガスをとっても小さく、

　　　　実験本番では問題ないと思われる。

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原研 FNS において、 2.5MeV の単色中性子を用いて、 TGC の中性子照射実験を行った。

中性子感度 エネルギー依存性はシミュレーションにほぼ一致。 ガスにはほとんど依存しない。

出力電荷量分布 2.5MeV 、 14MeV で大きな違いは見られない。　　　→ 中性子による出力電荷量はサチュレートしている。 CF4 ベースのガスの方が、中性子に対する出力電荷量は早く　

　　サチュレートする。 放電レート

中性子のエネルギーに依存する。 CO2 に比べ、 CF4 ベースのガスの方が放電が少ない。 放電レートはどちらのガスでも非常に小さく、中性子による放

電は　実験本番では問題ない。

まとめと考察

2005/9/15

おわり