理研稀少RIリングの為の
TOF検出器の開発
埼玉大学大学院理工学研究科
博士前期課程2年
久保木隆正
collaborators
B
C
D
埼玉大理, 筑波大理 , 新潟大理 , 理研仁科セ , 放医研
B
A
D
D
山口貴之, 大坪隆 , 小沢顕 , 金澤光隆 , 北川敦志 ,
B
D
久保徹 , 小林圭, 斉藤和哉, 佐藤眞二 , 鈴木健,
C
C
A
須田利美 , 田中鐘信 , 中島真平, 橋爪祐平 , 三浦宗賢,
A
A
C
B
森口哲朗 , 安田裕介 , 山口由高 , 吉竹利織, 渡部亮太
A
研究の背景

原子核の質量
 核構造を理解する上で基本的な物理量
 r-processを解明する重要なパラメータ
陽子数
r-process ※生成の困難さ故に、
質量が決定されていない
中性子数
研究の背景


理研RIBFにより、新たに1000核種生成可能
重イオン蓄積リング(稀少RIリング)を用いた
r-process核(Z ≧ 26)の質量測定実験計画が進行中
稀少RIリング
(http://www.nishina.riken.go.jp/UsersGuide/Nuclear/index.html)
研究目的

希少RIリングでの使用を目的としたTOF(飛行時間)検出器の
開発と試験、及び基礎データの収集

検出器に求められる性能
• 時間分解能 sT < 100ps
- 蓄積リングでは周回周期Tから質量mを導出
- 得たい精度
Dm/m = 10-6~10-7
- 飛行時間
T ~ 1ms (~3000turns)
Dm DT
~
m
T
可能な限り薄く
•
- 物質を通過するとビームのエミッタンスが悪くなる

厚さ10mmのプラスチックシンチレータを用いた
実験概要

放射線医学総合研究所のシンクロトロン施設(HIMAC)にて、
開発したTOF検出器の時間分解能を測定した
HIMAC

ビーム条件
56
84
132
 200MeV/uの 26Fe, 36Kr , 54Xe
3
 ビーム強度
1~10×10 ppp
 ビームサイズ
10mmf
セットアップと測定原理

厚さ・型番等の条件


シンチレータ
500, 100, 50mmt (EJ230),
10mmt (EJ232)
光電子増倍管(PMT)
H1949, H2431
Scintillator
EJ-230
EJ-232
typical
(BC-400)
Light output %
anthracene
64
55
65
Rise time
0.5ns
0.35ns
0.9ns
Decay time
1.5ns
1.4ns
2.4ns
Wavelength of
max emission
391nm
370nm
423nm
PMT
H1949
H2431
Gain
2×107 2.5×106
typical (R329)
1.1×106
Pulse rise time
1.3ns
0.7ns
2.6ns
Electron
transit time
28ns
16ns
48ns
セットアップと測定原理
Counter A
Scint.: 500 mm (fixed)
Counter B
Scint.: 10-500 mm (variable)
Counter C
Scint.: 10-500 mm (variable)
Standard fishtail light guide
Beam
S = 100×50 mm2
50mm
σ2TOF(AB) σ2T(A) σ2T(B)
σ2TOF(BC) σ2T(B) σ2T(C)
σ2TOF(AC) σ2T(A) σ2T(C)
Dark box
TOFから時間分解能を導出
結果

各ビーム条件におけるベストの値
(組み合わせ ・・・ 500mm + H2431)
・・・
sT = 9.5 ± 0.1 ps
84
36
・・・
sT = 9.3 ± 1.9 ps
56
26
・・・
sT = 9.4 ± 1.2 ps

132
54


(
Xe (DE=680MeV)
Kr (DE=300MeV)
Fe (DE=160MeV)
参考 world record
組み合わせ ・・・ 50×40mm2× 500mm + R4998
40
sT = 8.9 ps
)
ビーム条件 ・・・ 18Ar (E = 95MeV/u , DE=130MeV)
( S. Nishimura, et al., NIM A510(2003) 377. )
HV、PMT依存性(Krビーム)
160
Kr ビーム H2431
Kr ビーム H1949
1. t = 10mmで
140
10mm
・ HV 増 → sT 減
120
・ sT(H1949) <
s (ps)
100
80
2. t ≧ 50mmで
60
0
1000
50mm
50mm
40
20
sT(H2431)
10mm
100mm
500mm
500mm
1500
2000
2500
HV (-V)
3000
・ HV依存性なし
・ sT(H1949) ≒ sT(H2431)
100mm
1500
2000
2500
HV (-V)
3000
全ビーム条件における結果
H2431
160
s C
Fe
140
H1949
DE
s C

 ~ 0.45
 ~ 0.56
120
Kr
Feビーム : sT ~ 104ps
Fe
100
s (ps)
DE
→ r-process核の測定が可能
80
Kr
Xe
60
40
Xe
20
0
1
10
100
DE (MeV)
1000 1
10
100
DE (MeV)
1000
まとめ

開発したTOF検出器の時間分解能の測定結果
 500mm + H2431 ・・・ sT = 9.5ps程度の時間分解能を得た
 10mm
→

+ H1949 ・・・ sT < 100psを達成
r-process核(Z ≧ 26)の質量測定が可能
プラスチックシンチレータの時間分解能について
システマティックなデータを得ることができた
 HV依存性 ・・・ t = 10mmで
HV 増 → sT 減
t ≧ 50mmで
HV依存性なし
 PMT依存性
・・・ t = 10mmで
t ≧ 50mmで
sT(H1949) < sT(H2431)
sT(H1949) ≒ sT(H2431)
解析

測定に用いたdiscriminatorはリーディングエッジ型
 出力のタイミングがパルスハイトに依存するため、補正が必要
pulse height
600
補正前
補正後
500
補正式
400
T  Traw 
300
counts
103
Gaussian fit
2
10
sTOF
10
1
-1000 0 1000
-1000 0 1000
TOF (ps)
Coeff
pulse height
解析
TOF A-B
TOF A-C
TOF B-C
104
sTOF(AB)
sTOF(AC)
sTOF(BC)
counts
103
102
10
1
- 250
0
250
TOF (ps)
- 250
0
250 TOF
TOF (ps)
- 250
0
250
TOF (ps)
σ2T(A)  (σ2TOF(AB) σ2TOF(BC) σ2TOF(AC)) / 2
σ2T(B)  (σ2TOF(AB) σ2TOF(BC) σ2TOF(AC)) / 2
σ2T(C)  (σ2TOF(AB) σ2TOF(BC) σ2TOF(AC)) / 2
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発表 - 埼玉大学