物理学コロキウム第二 2008.12.15
素粒子実験に用いるガス検出器の原理と動作
内容
1.目的
2.ガス検出器による荷電粒子の飛跡の測定
3.スパークチェンバーの原理
4.設計と製作
5.まとめ
柴田研究室
鈴木研人
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1. 目的
素粒子物理実験において荷電粒子の飛跡の測
定に用いるガス検出器の原理を学ぶ。
その中でも粒子の飛跡測定の入門である「ス
パークチェンバー」を実際に製作する。
製作をする際に必要な、荷電粒子とガス原子の
相互作用についても学ぶ。
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2.ガス検出器による荷電粒子の飛跡の測定
◎ TPC ( Time Projection Chamber )
負高圧電極
荷電粒子の飛跡が直接測定で
きるガス検出器。
電離電子が生成されてから、
陽極ワイヤーに取り込まれる
までの時間を計測する。
B E
+
-
+
-
+
-
+
-
荷電粒子
陽極ワイヤー
陽極接地電位
◎ ドリフトチェンバー ( Drift Chamber )、 MWPC ( Multi Wire Proportional Chamber )
荷電粒子の位置を測定するためのガス検出器。
荷電粒子
z
ターゲット
x
y
入射粒子(z方向)
y座標がわかる
x座標がわかる
( x1,y1,z1 )
( x2,y2,z2 )
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これらの検出器では電離増幅は陽極ワイヤーのごく近傍で起こる。
下のグラフは各電圧での電離増幅度を示す。
1012
リミテッドストリーマー
領域
電離増幅度
1010
108
プロポーショナル領
域
放
電
ガイガー・ミュラー領
域
106
104
102
0
0
電圧 [ V ]
それに対し、これから説明するスパークチェンバーは荷電粒子
の飛跡に沿って電離増幅を起こす検出器である。
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3. スパークチェンバーの原理
スパークチェンバー
福井宗時氏・宮本重徳氏らによって1957年に開発された。
スパークチェンバーを用いることによって二次宇宙線(主にμ粒子)を観測できる。か
つては粒子加速器を用いた素粒子物理実験でも用いられた。
スパークチェンバーは荷電粒子の飛跡を測定するためのガス検出器の入門なので、
今回製作を行っている。
極板対を何層も重ねる
光電子
増倍管
同時計測
回路
シンチレータ
コンデン
サー内に
ガスを流
す
高電圧
印加回
路
シンチレータ
荷電粒子
光電子
増倍管
ガス : HeガスもしくはNeに
20~30%Arを混合したものを用いる。
トリガー : 極板層の上下に付
けたシンチレータからの同時計
測でトリガーをかける。
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動作原理
電極
V
電離電子
電子なだれを起
こし最終的にス
パークを起こす
ガス
原子
正イオン
高電圧
(3~5kV/cm)
をかける
荷電粒子
電極対を何層も重ねることにより荷電粒子の飛跡をスパークによる発光として
目視することが可能。
シンチレータからの同時計測でトリガーが
かかると、電気信号は右図の高電圧印加
回路に伝わる。SCRはその電気信号が伝
わってから瞬時にスイッチONに切り替える
ためのものである。
この時コンデンサー(a)に蓄えられていた
電荷Qはスパークチェンバーへと流れ、トリ
ガーがかかってから500ns以内でスパーク
チェンバーに高電圧を与える。
-8 kV
20 MΩ
R
1000 pF
-Q +Q
(a)
Trigger
C
SCR
R
R 20Ω
スパーク
チェンバー
220 Ω
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7つの方程式と7つの変数
4. 設計と製作
① I 2  I1  
回路の計算
-Φ
V1
I1
r2
② Q1  C1  V2  V1 
V2
C1、Q1
③I1 
・・・
I2
r3
r1
I3
V1
r2
⑤ Q2  C2V2
dQ1 dQ2

 I3
dt
dt
V
⑦I 3  2
r3
⑥ 
 8 kV、 r1  20M、 r2  20 、 r3  220 Ω、
C1  1000pF、F 2  354pF
t  0 において
V1  、 V2  0 とする。
この連立方程式を解いて V2( t )を求める。
スパークチェンバーを一つのコンデンサーとみなし、合成容量をC1とした。
極板の大きさは20 cm四方、極板間隔は1 cmとし層の数は10層とした。
スイッチが入れてからおよそt=10 ns
のところにピークがある
7000
6000
5000
実際にはスイッチは瞬時に入らな
い。スイッチの内部抵抗を考慮する
とV2のピーク値は下がり、ピークに
おける時刻も増え、時定数の値も
増える。
4000
3000
2000
1000
0
-200
V1  
r1
④I 2  
C2、Q2
電圧V2(スパークチェンバーの電圧)
と時刻tの関係 ( Φ= 8 kV )
dQ1
dt
0
200
400
600
800
1000
1200
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製作中のスパークチェンバー
使用するガス:Heガス
20 cm
Heガス
これを1層分として次々と重ねていく
(10層重ねる予定)
アクリル
角板
14 cm
20 cm
1 cm
14 cm
厚さ2 mmの
アルミ板
Heガスを流す部
分
[ 斜め上から見た図 ]
2 cm
Heガス
1 cm
[ 上から見た図 (上部電極を取り除いたもの )]
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14 cm四方のアルミ板(厚さ2 mm)極板対(2層)をつくり研究室に
ある高圧交流電源(10 kV (p-p)、2.1 kHz )を用いてリーク電流があ
るか印加テストを行った。
2.1 kHz
10 kV
( p-p )
高圧交流
電源
その結果、リークは見られなかった。
次に、スパークチェンバーの部品を設計した。高電圧印加の回路の計算をした。
続いて、アルミ板、アクリル角板の加工を行った。
今後の予定
(1) スパークチェンバー本体(極板層)の組み立て
(2) ガスの循環
(3) 高電圧印加回路の製作
(4) プラスチックシンチレータによるトリガー
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5. まとめ
・ 素粒子物理実験では荷電粒子の飛跡測定のために様々なガ
ス検出器が使用されている。
・ TPCでは荷電粒子の飛跡が直接測定できる。
ドリフトチェンバー、MWPCは荷電粒子の位置を測るものであり、
いくつか組み合わせることにより飛跡が測定できる。
・ スパークチェンバーは2枚のシンチレータによる同時計測でト
リガーを起こし、高電圧を瞬時に印加させて荷電粒子の飛跡
(放電)を測定することができる。
・ スパークチェンバーの製作にあたり、設計、印加テスト、回路
の計算を行った。
・今後はさらに(1) 本体の組み立て、(2) ガスの循環、(3) 高
電圧印加回路の製作、(4) プラスチックシンチレータによるとト
リガー、を行い、スパークチェンバーを完成させる。
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