CALET で用いる電荷弁別型検出器(CHD) のビーム実験による性能評

価渡邊仁規，赤池陽水，伊藤大二郎，植山良貴，小澤俊介，笠原克昌，苅部樹彦，

九反万理恵，近藤慧之輔，鳥居祥二，中村政則，仁井田多絵，二宮翔太，舟橋良輔，田村忠久 A ，片寄祐作 B ，清水雄輝 C ，内堀幸夫 D ，北村尚

D ， P.S.MarrocchesiE,M.G.BagliesiE ， G.BigongiariE ， S.BonechiE ， M.Y.KimE, P.MaestroE

早大理工研，神奈川大工 A ，横国大工 B ， JAXAC ，放医研 D ， Univ. of SienaE

発表の流れ

CALET-CHD(CHarge Detector ）　　　　セグメント化されたプラスチックシンチレータを X-Y に積層　　　　　　→ IMC での粒子入射位置特定により、後方散乱の影響可能な限り除去

重原子核観測内容　　　　・一次核　 (1 Z 26)≦ ≦ 　 ( ～ 1000 TeV/particle) ・超重核　 (26 ＜ Z 40)≦　　　　・二次核 / 一次核比 (B/C) 　 ( ～ TeV/n)　　　　プロトタイプ試験　　　　 HIMAC 重イオン照射　　　　　　→重イオンにおけるクエンチング効果を考慮した電荷分解能の算出

CALET 実観測における原子核成分測定の基礎データとする

CALET-CHD 概要

ELJEN 社製プラスチックシンチレータEJ-204

Size 450×32×10 mm3

Wavelength of Max 408 nmRise Time 0.7 nsDecay Time 1.8 nsScintillation Efficiency 10400 photons/MeV

Attenuation length 1600 mmDensity 1.032 g/cm2

浜松ホトニクス社製光電子増倍管R11823(R7400 ベース )

Photo cathode Φ8 mm,BialkaliPeak wavelength 420 nmRise Time 0.78 nsGain @ -400 V 5000Q.E 30%

450

側面

CHD(CHarge Detector): 電荷検出器• プラスチックシンチレータ（ EJ-204 ）とアクリル製ライト

ガイドで接続• 光電子増倍管 (R11823) で信号読み出し• x 軸、 y 軸にそれぞれ 14 本積層

カタログ値 (BC404 相当 )

450

上面

450 mm

32 mm84 mm

O

MgNe

FeSi

C

B/C 比：伝播過程

P , He 及び 一次核 (C,O,Ne,Mg,Si,Fe)→ 伝播機構

超重核：超新星爆発での元素合成過程

CALET による観測（ 5 年間）で期待される原子核成分観測

HIMAC 実験概要

実験装置配置図 (2011.12)

Trig1: トリガー用プラスチックシンチレータ (65×65×0.5 mm3)

Trig2: トリガー用プラスチックシンチレータ (100×100×0.2 mm3)

Target(Acrylic): 破砕核を生成するためのアクリル (1cm 厚 ) → 核破砕により二次核生成

CHD: プラスチックシンチレータ

SIA: ビーム位置特定用シリコンストリップ (0.732 mm 間隔 )　　　　→ CHD に入射する粒子の位置特定

放射線医学総合研究所 重イオン加速器　 HIMAC 　物理汎用（ PH2 ）ビームライン

BEAM Trig1Target(Acrylic)

SIACHD

0 　　 15 　 30 　 35 　 　　 155 　　　 (cm)

Trig2

Target(Acrylic)

BEAM Trig1,2

CHD SIA

fC/ch Ped

High Gain 1.14 213.2

Middle Gain

3.64 47.34

Low Gain 7.29 164

Middle Gain ： CALET のダイナミックレンジ相当

データ収集系セットアップ

DividerCHD(-420 V) Pre Amp

Trig1(-1500 V)

Trig2(-1400 V)

Discri(-30 mV)

Coincidence Gate Generator

DC-PW ±12V

SIACPUQDC

USB 接続

CAMAC

Low gain

VME

PH-ADC16bit

Discri(-50 mV)

LAN

Shaping Amp.

・ CHD の信号読み出しは CALET 相当のアンプを使用– ダイナミックレンジ確保のため， Shaping Amp のゲインを３系統に

・ Trig1, 2 は CS-ADC にて読み出し・ SIA( シリコンストリップ + シリコンピクセル ) は USB にて制御・読み出し

High gainMiddle gain

Low gain

照射ビーム概要

Si Kr Ge Fe

エネルギー[MeV/n]

800 500

ビームサイズ

～ 2cmΦ

ビーム強度 ~250counts/spill

イベント数 ~3.5×105 ~7.0×105 ~1.0×105 ~4.0×105

照射時期 2011.5 2011.12

SIA 内のシリコンストリップ検出器にて測定した各 1 次核種照射時のビームプロファイル

10 mm

Kr 500 MeV/n約 7.0×105 Events

10 mm

Ge 500 MeV/n約 1.0×105 Events

10 mm

Fe 500 MeV/n約 4.0×105 Events

10 mm

Si 800 MeV/n約 3.5×105 Events

• Si (Z=14, 800MeV/n), Kr (Z=36), Ge (Z=32), Fe (Z=26) ( 各 500MeV/n) を破砕前の 1 次核として照射

• ビーム強度：〜 250event/spill に調整（ Cycle 3.3s, flat top 0.7s ）• ビーム広がり： 1~2cm

破砕核による CHD の ADC 分布 (Raw Data)

Fe(26)

Fe 500 MeV/n4.0×105 Events

Si

Kr(36)

Kr 500 MeV/n7.0×105 Events

GeFe

ADC counts [ch]

Ge(32)

Ge 500 MeV/n1.0×105 Events

Fe

Coun

ts

Coun

tsCo

unts

ADC counts [ch]

Coun

ts Si(14)

Si 800 MeV/n3.5×105 Events

C NHe

O

ADC counts [ch]

ADC counts [ch]

アクリルターゲットによる破砕核– 各核種による出力ピーク→電荷– 各ピークの分布の幅→電荷分解能

多重入射イベントを含む

多重入射イベントの選別

複数の破砕核が CHD に同時に入射　　　　　　　　　　→入射電荷量が不確定になる

シリコンストリップ検出器を用いてイベント選別

プラスチックシンチレータとシリコンストリップが重なる領域

電荷分解能向上のため、多重入射したイベントの選別を行う

• 較正用に照射した陽子 230 MeV にて電荷入射時の 1 チャンネルあたりの閾値を決定（→ 17 ADU ）

• プラスチックシンチレータとシリコンストリップが重なる範囲で 2 チャンネル以上の出力があった場合、多重入射イベントと判定

→ 解析イベントから除去

多重入射イベント選別方法

17ADU

複数の破砕核が同時に入射

多重入射イベント除去後の ADC 分布

Kr 500 MeV/n7.0×105 Events

GeFe

Ge 500 MeV/n1.0×105 Events

Fe

Si C N O

Fe 500 MeV/n4.0×105 Events

Si 800 MeV/n3.5×105 Events

Kr(36) Ge(32)

Fe(26) Si(14)

Coun

ts

Coun

ts

ADC counts [ch]

多重入射イベントの除去により、分解能が改善

ADC counts [ch]

Coun

ts

Coun

ts

ADC counts [ch] ADC counts [ch]

Ge 500 MeV/n1.0×105 Events

C N O

Si 800 MeV/n3.5×105 Events

Si(14)

Coun

tsCo

unts

Coun

ts

Kr 500 MeV/n約 7.0×105 Events

Ge

Fe Fe

SiC N O

Fe 500 MeV/n約 4.0×105 Events

Si 800 MeV/n約 3.5×105 Events

Coun

ts

Coun

ts

ADC counts [ch]

ADC counts [ch]

ADC counts [ch]

ADC counts [ch]

破砕核の電荷量と電荷分解能

各破砕核のピークを求めるため、とありあうピークを含む 3 つのガウス関数でフィット

観測に必要なクエンチング効果の検証

Birks の式 *dE/dx に比例せずクエンチングが起こ

る)/(1

)/(

dxdEB

dxdEA

dx

dL

S

Tarle の式 *dE/dx の一部の割合 fhがクエンチングの効果を受け

ない。

dx

dEAf

dxdEfB

dxdEfA

dx

dLh

hS

h

/)1(1

/)1(

第１項原子核に近い領域

（コア）を通過した重粒子によるクエンチングの効果で減光したシンチレーショ

ン光

第 2 項粒子入射時、コアの周り（ハロー）に飛散した電子などのシンチレーション光*Tarle et.al, The Astrophysical Journal 230(1979)pp.607

プラスチックシンチレータは、入射粒子のエネルギー損失 dE/dx に比例した発光量を示すが、電荷 Z の増加に伴い、発光量 dL/dx は dE/dx に比例しなくなる　　　　→ CALET で Z を求める際、クエンチング効果の補正が必要

A: シンチレーション効率Bs: 特定のシンチレータに対する実験データに合うように調整するパラメータ

シミュレーションを用いて ADC 値と対応する損失エネルギー量を算出

これまでの実験から得られたクエンチングは Tarle の式に従う　　　　　　　　　　　　　→重イオン観測時のクエンチングカーブで検証

クエンチングに関する補正

シミュレーションによる損失エネルギー算出シミュレーションコード PHITS による計算

横軸 ΔE ：破砕核が CHD に付与したエネルギー

Kr 500 MeV/n1.2×105 Events Kr(36)

GeFe

Ge(32)Ge 500 MeV/n5.0×104 Events

Fe

Si

Coun

ts Fe 500 MeV/n4.0×105 Events Fe(26)

ΔE [MeV]

ΔE [MeV]

ΔE [MeV]

Coun

ts

Coun

ts

ΔE [MeV]

Si 800 MeV/n4.0×104 EventsCo

unts

Si(14)OC

各破砕核の ΔE ピークを求めるため、実験と同様ガウス関数でフィット

重イオン観測時のクエンチング効果

A=31.31 としたとき、 HIMAC 実験と GSI実験での fh と Bs の値を比較

HIMAC GSI

fh 0.39±0.01 0.36±0.01

Bs [MeV-1 ･ g ･cm-2]

(8.12±0.4)×10-3

(8.0±0.3)×10-3

dE/dx [MeV ･ cm2/g]

ADC [ch]

● ： Kr● ： Ge● ： Fe－： GSI

各 Z の ADC 値と損失エネルギー量を対応させ相関を Tarle の式にて Fit

イタリアの共同実験グループによる GSI でのCHD 性能検証実験

ドイツ・ GSI において， Ni を一次核として破砕核を選択的に照射．エネルギーは 1.1~1.3GeV

共同研究者による GSI での先行実験と大きく矛盾しない結果

Z 40≧ も観測可能

Fe 核以上の分解能を算出→超重元素の観測が可能

R: 電荷分解能σZ: 分散値μZ: ピーク値ZZ

ZR

1

電荷分解能電荷分解能を左式のように定義し，各 Z における電荷分解能を算出

0 5 10 15 20 25 30 35 400

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

SiFeGeKrGSI

Z

Char

ge R

esol

ution

まとめと今後の課題CALET-CHD の観測性能検証

• HIMAC にて重イオン照射試験 Si 、 Fe 、 Kr 、 Ge ビームをアクリルターゲットにて破砕

• 電荷分解能　　　　　→隣接角からの漏れ出しを考慮し、 3 つのガウス関数でフィットして算出

Z = 5~20 　電荷分解能 ΔZ =0.23 Z = 21 ~ 26 ΔZ = 0.25 Z = 28~36 　 ΔZ = 0.35

• クエンチング効果 専攻の GSI における実験＋シミュレーションと一致し、 Tarle の式に従

う 照射原子核の CHD 入射前のエネルギー損失の不確定性の定量的検討　　　（照射粒子の β が低いため、エネルギー損失の揺らぎが大きい） マルチヒットの弁別精度向上　　　（シミュレーションによる検証） CERN-SPS における相対論的エネルギーでの重粒子照射 (2012)

今後の課題

END

Fe 500 MeV/n4.0×105 Events

Fe 500 MeV/n4.0×105 Events

Fe 500 MeV/n4.0×105 Events

Fe 500 MeV/n4.0×105 Events

Fe 500MeV/n Fit

Fe 500 MeV/n4.0×105 Events

Fe 500MeV/n Fit

Fe 500 MeV/n4.0×105 Events

Fe 500 MeV/n4.0×105 Events

Fe 500 MeV/n4.0×105 Events

シミュレーションによる破砕核のエネルギー損失の算出

21

Se

Kr の二次核分布 SeKr

dE/dx(MeV)

dE/dx(MeV)

PHITS を用いたシミュレーションで核破砕によるエネルギー損失を求める

電荷 Z の２乗とエネルギー損失の関係

Fe 500MeV/n

Kr 500MeV/n

Ge 500MeV/n

2.96MeV 3.05MeV 3.02MeV

同様の手順で Fe 、 Ge についても算出