2008年度課題研究P6
μ-PIC班
μ-PICと光電子増倍管を用いた
放射線の三次元測定
石神直大
澤野達哉
義川達人
March 11, 2009
CONTENTS
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
What is μ-PIC?(義川)
Outline of our experiment(義川)
1st stage ~μ-PICと遊ぼう~(義川)
2nd stage ~2D-imaging入門~(義川、石神)
3rd stage ~3D-tracking&TPCmode~(石神)
Final stage ~光トリガーへの道~(澤野)
Conclusion(澤野)
1. What is μ-PIC?
・京都大学宇宙線研究室発のガス検出器
・高い位置分解能
・放電に対して安定
・二次元画像装置
~400μm間隔
50μm
ピクセル拡大図
10cm
(256ch)
ドリフト面
10cm(256ch)
検出面
μ-PIC、μTPCの動作原理(荷電粒子入射の場合)
ドリフト面
放射線
ASD
(Cathode)
電子雲
電場
Anode
Cathode
(GND)
電子雪崩
Anode、Cathodeは256chずつ
適当にsumしたアナログ情報+各チャンネルのデジタル情報
ASD
(Anode)
2.Outline of our experiment
ドリフト面
・現行のμTPC
ドリフト電子(信号①)
→電子が到着した時間
放射線が入ってきた場所までは
分からない
Ar+
光電子
増倍管
光
Ar+
Ar+
eee-
)
信号②
)時刻差
・本実験の目標
放射線がガスを電離する(信号②)
→光が発生した時間
二つの信号から放射線の
絶対的な高さが分かる!
時刻差
電子雪崩
検出面
信号①
3. First stage~μ-PICと遊ぼう~
まずはガス検出器としてμ-PICの性能を測定
線源55Feと109Cdで
スペクトル測定を行う
-550V
GEM
0V
-550V
550V
5mm
・ガスフロー型
検出面
0V
・ガスはアルゴン(90%)-エタン(10%)
・ガスパッケージは5mm(GEMをドリフト面に代用)
・ドリフト面に-550V、検出面に0V
波形取得の概念図
data
32ストリップ
(161ch~192ch)
Flash ADC
GAIN
AMPLIFIER
μ-PIC CR PreAmp
(Anode)
No.31
RPV160 S/N.001
MODEL 777
CR
START
PreAmp
ASD(時定数16ns)
(Cathode)
VETO
WANT
Amplifier Shaper Discriminator
signal
discri
DISCRIMINATOR
INTERRUPTER
N-TM305
RPV130-177
VETO
GIVE
read
write
遅らせる
delay
veto
discriminator disable
PC
DELAY
MODEL794
STOP
~800ns
PC
波形取得からスペクトルへ
480
Area
電圧(mV)
400
320
STOP
~800ns(Delay)
240
Threshold(Discri)
160
ベースラインを決定
80
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
時間(nsec)
①FADCで波形データ取得 ②ベースライン決定 ③Areaの取得 ④ヒストグラム(by ROOT)
結果Ⅰ(スペクトル図)
Background
109Cd
5.9keV
55Fe
Escape
2.9keV
CuKα
8.04keV
22.2keV
(ベースライン80mV)
結果Ⅱ(エネルギー較正、分解能)
エネルギー較正
E[keV]  ax[ch]  b
E=ax+b
a  9.2 103
a=9.09×10
b  0.63 -3
b=-0.399
分解能
(FWHM)
2.96keV・・・36.0%
5.90keV・・・31.9%
8.04keV・・・36.5%
22.2keV・・・29.7%
分解能はあまり良くない
・・・
ひどい放電はなかったものの
電流状況は芳しくなかった
μ-PICの増幅率(55Feの場合)
①放射線入射(5.9keV)
↓
②Arガスを電離
↓
③一次電子生成
(5900/26~220個)
↓
④μ-PICによる増幅
(これを求めたい)
↓
⑤PreAmpによる増幅
(既知:~700倍)
↓
⑥GAIM AMPによる増幅
(設定:2×8倍)
↓
⑦データ(~700ch)
①
Ar+
Ar+
②
Ar+
e-
④
e-
e-
③
電子雪崩
結果:1400倍
⑥
⑤
GAIN AMP
ASD
・Ar(90%)+C2H6(10%)
・ドリフト面に-550V
検出面に0V
⑦
PC
4. Second stage~2D-imaging入門~
Memory BoardとEncoderを用いた2D-imagingの原理
Cathode
電子感知
Cathode
X, Y, T
threshold
pulse
Anode
ASD
(Cathode)
Anode
pulse
ASD
(Anode)
μ-PIC
Encoder
Memory Board
X,Y,(T)
PC
TPCモードは100MHz
結果
鍵を置いてimagingに挑戦・・・果たして?
?
First stageの放電対策の結果、有効検出面積が狭い
色々頑張ってみるものの、状況は改善せず・・・
新しいμ–PICで再挑戦
新設備
前回まではガスフロー型であったが、
この設備からはガス封じ切り容器となる
内部にマントルが設置されており、
その位置特定を2D-imagingで行う。
3D-trackingへ
封じ切り容器内部
Drift面
μ-PIC31号
封じ切り容器(アルミニウム)
ドリフト容器
(上面テフロン5mm
側面テフロン10mm)
銅線
(側面に9本)
(10M抵抗×10コ設置)
10cm
?
検出面
マントルがドリフト容器内の
どこかに入っている
10cm
10cm
マントル
・ガスランタンの芯に使用される
・マントル中には、放射性物質で
あるトリウム( 232Th )が微量に
含まれている
マントルの写真
マントルの位置が分かった!!!!
Anode側 [cm]
このあたり
Cathode側 [cm]
5. Third stage~3D-tracking&TPCモード~
2D-imagingに”深さ”加えれば3Dになる!!
・・・・
・
・Encoderから出力される時刻情報
⇒電子が検出面へ到達した時刻
・電子のドリフト速度
距離=時刻差×ドリフト速度
ドリフト速度は4.2cm/μsec
(Ar(90%)-C2H6(10%)1atm、0.35kV/cm)
3Dイメージングの原理
軌跡に沿って、次々と
ガス分子を電離していく
電離した電子は、電場によって
検出面まで一定速度でドリフトする
放射線が
ガス分子を電離
時刻情報と位置情報を組み合わせることで
飛跡のトラッキングができる!!
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7軌跡
3D-trackingの図
10
0
z[cm]
Anode[cm]
10
Cathode[cm]
10
Cathode[cm]
10
10
z[cm]
10
0
10
0
0
Anode[cm]
10
10
TPCモード
TPCモードは、波形取得と
通常の3D-trackingの組み合わせ
TPCモードでは、1イベントごとの波形と位置
データを同時に得ることができる
個々の放射線について
エネルギーと飛距離の関係が議論できる
TPCモードの概念図
時定数2ns
GAINAMP
preamp
(Cathode)
MODEL 777
×8ch
DISCRIMINATOR
preamp
(Anode)
μ-PIC
No.31
N-TM305
FADC
VETO
(rpv160)
OR
REPIC
HOSHIN N007
TRIG
STOP
INTERRUPT
LVDS←NIM
GNN-231L
RUN
(rpv130)
Encoder
LVDS→NIM
FPGA
波形データ
REPIC
FIN
GNN-221L
Memory
Board
HE 2687
PC
位置データ
封じ切り容器
ASD
HV&波形取得のための機器
TPCモード設置図
エンコーダー
z[cm]
Casode[cm]
TPCモード出力例
Anode[cm]
z[cm]
z[cm]
Cathode[cm]
Anode[cm]
3ch
~
8ch
α線のエネルギーと飛距離
エネルギーと飛跡(シミュレーション)
Ar90%+C2H610% 1atm
120
飛跡(mm)
100
80
60
40
20
0
0
2
4
6
エネルギー(MeV)
8
10
12
by SRIM
マントルからのα線のエネルギーと飛距離の相関が
上図のようになっていることを期待
散布図
相関は概ねシミュレーション結果に対応
counts
Path[mm]
エネルギーのヒストグラムはよく分からない・・・・
特にこの辺りが消える
Energy[MeV]
Path[mm]
counts
・飛程の長さ(path)とイベントの
電荷量の合計(area)の散布図を描く
・同時にpathとareaのヒストグラムも描く
・eventをマントル付近に限る
・飛跡がギザギザしているeventを除く
(シミュレーションの結果を見てエネルギ
ー較正)
Energy[MeV]
6. Final Stage~光トリガーへの道~
従来のTPCの問題点
放射線飛跡の絶対的な
高さ情報が得られない
新しいTPCはPMTと連携して
この問題を克服する
光生成の物理機構
Energy
封入したガスの励起分子が基底状態に
遷移するときにシンチレーション光を放出
励起状態
光
基底状態
Pure Arの場合
発光の平均波長は250nm
例えば、放射線である荷電粒子が
ガス中を通過する際に励起される
シンチレーション光から高さ情報を得る
荷電粒子
ガス分子を
電離+励起
1
放射線の入射時刻を取得
1と2の時間差から
高さを逆算
ドリフト
検出面
2
ドリフト電子雲の到達時刻を取得
PMT
光電子増倍管
R2238 浜松ホトニクス製
・管径:φ76 mm
・受光面サイズ:φ70 mm
・窓材質:ホウケイ酸ガラス
・光電面 種類:バイアルカリ
・感度波長:300nm~650nm
・感度波長ピーク:420nm
・最大定格電圧:1250V
Anode側、Cathode側の対面側
計2か所に設置
・ゲイン:5.0E+05
オシロスコープでPMTの信号を調べる
μ-PICのアナログ信号
PMTの信号
1.3μsec
放射線入射時の光?
ドリフト電子の
なだれ増幅による光
PMT A
シンチレーション光の
解析方法
PMT B
FADCでPMTの信号を取得
TPCモードのときと
同じDAQシステムを
引き続き使用
雪崩増幅のシンチ光発生から
最大2.5μsまでさかのぼって
PMTのピーク信号を探す
この時間差の
分布を調べる
時刻差のヒストグラム
Peak Time ~ 1.8 μs
イベントをマントル付近
という条件(X-Y投影面)で抽出すると、
よりpeakが際立つ
1.8 [μs] × 4.2 [cm/μs]
~ 7.6 [cm]
高さ7.6cm付近に
電子雲が多く生成
マントル位置も
この辺りか?
Y [mm]
Y [mm]
放射線イメージング~3D ver.~
Z [mm]
X [mm]
Z [mm]
最も明るい位置は
(99mm,9mm,77mm)
やはりマントルの高さは、
検出面から約8cmであろう
次頁で答え合わせ
X [mm]
実際のマントルの位置と比較
実際のマントルの位置は
検出面から8cmの高さ
サイズは2cm程度だった
比較
結果は大成功!
マントルの3次元位置を
正しく特定できた!
Y [mm]
飛跡を見るとマントルの
サイズも再現できている
X [mm]
Z [mm]
Z [mm]
Z [mm]
Y [mm]
光トリガーを用いた3D-tracking
X [mm]
時刻差のヒストグラム 再考
線源に近い電子雲が
前回の時間差分布は
検出面に到達する
線源の位置を与えない
時間差の分布を調べる
このピークは線源の
位置を与える
線源
今回調べる時間差
前回調べた時間差
検出面
検出面に近いほうの時刻差をとる
線源に近いほうの時刻差をとる
線源のコアの高さを定量的に評価
Fit with Gaussian
Constant:3.16E+2
Mean:1.83E+2
Signa:1.73E+1
高さは7.69cm±0.72cm
AAand
or
B BB
A
PMT:B
21.9%
34.1%
53.1%
2.9%
17.3%
42.0%
57.6%
1.7%
22.1%
37.8%
57.9%
2.0%
35.3%
26.0%
56.7%
4.6%
24.0%
26.5%
48.9%
1.6%
26.1%
30.2%
55.0%
1.3%
39.7%
24.9%
61.8%
2.8%
28.7%
24.2%
51.6%
1.3%
21.1%
19.9%
40.3%
0.6%
の検出効率
全体的な検出効率
40~60%程度
Anode[mm]
Efficiency %
各領域ごとの
PMT:A
放射線1イベントの
重心位置
VS
プライマリ光の
検出効率
Cathode[mm]
プライマリ光の検出効率
7. Conclusion
できたこと
・μ-PICを用いたエネルギースペクトルの取得
・ガス増幅率の決定
・2D-imaging
・3D-tracking
・放射線飛程とエネルギーの相関の確認
・光トリガーを用いた3D-tracking及び3D-imaging
・光トリガーの検出効率の計測
できなかったこと
・TPCモードでのエネルギー較正
おしまい
予備スライド
・1chは、(1/256)V×10nsに相当
V
Q  t 
R
 10  10
9

1 256 V
sec 
50 
 7.8 1013 C ch
・FADCから得られるAreaは平均700ch程度
7.8 1013 C ch  700ch  0.55nC
∴ 0.55nC  2  8  700


 2201.6 1019 C  1400
1400倍
2D-imaging取得の概念図
Anode、Cathode位置対応
Anode1とCathode1のケーブルを引っ
こ抜いてbgをとり、それぞれが図上の
どの位置に対応するか確認。
A8
A7
A6
A5
A4
Anord1が下端
Cathode1が左端に対応。
A3
A2
A1
C1
~
C8
C
1
C
2
C
3
C
4
C
5
C
6
C
7
C
8
μ-PICの放電
μ-PICの使用を開始した矢先、問題発生!
そもそも放電に伴うノイズのために
放電が止まらない・・・・・
信号の読み取りができない
検出面
AnodeとCathodeが導通してしまい電流がバシバシ漏れる
Anodeに実際に掛かる有効な電圧が減少
ゲインの低下
増幅率の減少
エネルギー分解能の低下
放電への対処
μ-PICにHVを供給する部分の抵抗(ジャンパー)
を外して放電の影響を抑える
μ-PICの特性である高い位置分解能は失われる・・・
ジャンパー外し
CR基盤
(Anode)
・ジャンパーとμ-PICのピクセ
ルは1対1対応
・放電が起こっているピクセル
のジャンパーを外すことで、
読み取る際に放電の影響を
カットできる
・ これにより、そのピクセルか
らの信号は入らなくなる
メガ抵抗を外す
その他は死んでいる状態
ここだけ生きている
・なおメガ抵抗一つは16個の
ジャンパーをまとめている
このメガ抵抗だけ生かす
ドリフト速度のsimulation
電子の到達した時間(T1~T7)が
飛跡の深さに関する情報となる
到達時間
+
2D-imaging
&
ドリフト速度
3D-tracking
※ただし、放射線の進行方向はこの方法では特定できない
放射線の走る速度は十分に速く放射線による
一次電子は同時に作られると考えてよいために
3Dトラッキングが可能となる
これで分かるのは二次元の位置と深さ情報だけである
放射線入射時に光が出る原理
・放射線はガス中でエネルギーを失うが、これはガスの束縛電子
とのCoulomb散乱によるものである(荷電粒子の場合)
・散乱の際にガス分子を励起し、シンチレーション光が出る。Pure
Arだと紫外域よりも波長が短いが、エタンが混ざることで、紫外
域にまで波長が伸びることが知られている。
・今回使用したPMTの感度領域は300nm~650nm(紫外~可視
光)であり、最大感度は420nmのところにある
・今回使用したガスのArは可視光領域の特性X線を持たない
内壁の電場形成
真空容器
全体像
ヒストグラム比較
1~8chのsum
3~8chのsum
イベントをマントル付近に限定
・FDACの入力チャンネ
ル数は8ch
・2ch分を光トリガーに
使用するため、μPICからのアナログ
信号を2ch分捨てる
・chを捨ててもヒストグ
ラムの形や位置は
変わらない
変なやつがいる
エンコーダーの仕様で、真縦に走るとこうなる?
Fittingの実際(Cdの場合)
Fittingの実際(Feの場合)
エネルギー分解能 vs. エネルギー
TPCモード概念図
FADC1
FADC2
Discri1
Discri2
FADCのうち、一番早いのがTRIGになる
OR
INTR→ENCORD
RUN
VETO
解除
VETO in
FADCstop
8μsec
INTR
25μsec
ダウンロード

PPT - 宇宙線研究室