担当教員: 佐藤
TA: 先崎、森内
連絡先: 自然学系棟D208 (x4270)
シンチレーション・カウンター
実験Ⅲ素粒子テーマ2回目
シンチレーションカウンターの理解
荷電粒子と物質の相互作用
プラスチックシンチレータ
光電子増倍管(PMT)
HVカーブの測定
検出効率の統計誤差
ライトリークテスト

Page1
ディスクリミネータの出力パルス幅



前回、ディスクリミネータのアウトプット・パルス幅を15 nsに
調整した。
 パルス幅を再確認し、必要なら直すこと。
テキストには15nsと書いてあるが、これは下図bのことでは
ないので注意。
パルスが短すぎると信号が正しく処理されないこともある(毎
年多いセットアップ・ミス)。
15 ns
a.
b.
15 ns
2
寿命測定のセットアップ
高エネルギー陽子
宇宙
大気
p
π-
π+
μ-
μ
“突き抜け”μ粒子に対
しては,Startはかからな
い.
Start
ストッパー
突き抜け
シンチレータ:
荷電粒子が通過すると、
紫外光を発光する
Stop
光電子増倍管:
シンチレータの発光を検出し、
電気信号を出力する
μ粒子と物質の相互作用


μ粒子が十分なエネルギーをもって
入射するとき:
 電子は雲状に広がって分布して
おり、μ粒子は電子と反応する。
電子はμ粒子に比べて質量が小さ
い


Me=0.511 MeV/c2、Mμ=106 MeV/c2
電子を弾き飛ば(原子をイオン化)し
たあともミュー粒子はエネルギーを
失うだけでほとんど方向を変えずに
突き進む。

弾性散乱
4
荷電粒子と物質の相互作用


電磁相互作用(主にイオン化)
物質の厚さの単位はg/cm2
1cm
d
[cm]

1cm
ρ:密度 [g/cm3]
x=ρd [g/cm2]
最小電離作用粒子(Minimum
Ionizing Particle, MIP)
荷電粒子が物質を通過する際のエネルギー損
失-dE/dx(=物質に落とすエネルギー)は,μ粒
子の場合~300MeV/cで最小.それ以上の運動
量を持つ粒子では,ゆっくり上昇(あまり変わら
ない).
5
プラスチックシンチレータ

MIPによって物質へ落とされたエネルギーを可視光へと変換する

基材:ポリスチレン(C8H8)n,ポリビニルトルエンなど


蛍光剤:p-ターフェニル(C18H14)など(~10g/ℓ)



密度:約1g/cm3
π軌道電子の準位
第一励起状態から基底状態へ落ちるときに発光
波長変換剤:紫外光→可視光(青色)
数eV⇒紫外光
時間:数n秒
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光電子増倍管(PhotoMultiplier Tube; PMT)

可視光域の光子を検出し電気信号として出力
-1300V~-2000V

光電面で光電効果(光子→電子)


ダイノードで二次電子数を増幅



量子効率:~25%
一段あたり2~3倍,12段では,105~106倍
増幅率は印加電圧に依存
アノードで電荷を収集
7
今回の課題:HVカーブの測定

μ粒子を測定する際のバックグラウンド

光電子増倍管の熱ノイズ(熱電子)


環境放射線


光電子増倍管の光電面から、熱によって励起された電子
(熱電子)が出てきて電気信号を出す。
大気中、地殻中(や建物の壁など)に含まれる放射性同位
体が発する環境放射線でも、シンチレータは発光する。
これらのバックグラウンドをうまく落としながら
データをとるための工夫をする必要がある。
8
HVカーブ(検出効率のHV依存性)の測定
ディスクリミネータ
PMT出力
GND
波高
Vth
PMT出力
PMT内部の熱電子等によるノイズの
波高分布
頻度
頻度
荷電粒子(μ粒子)のMIP通過に対する
信号の波高分布
NIMパルス
波高はほ
ぼ一定
波高
波高は低いほど頻
度が急激に増加
波高
9
HVカーブの測定(2)
頻度
Vth
PMTの増幅率を調整する
 増幅率(すなわちHV)を変更しつつ,
MIP信号の検出効率を測定する
Vth
頻度
discriminatorのVthは
 信号をできるだけ拾う
 ノイズをできるだけ落とす
位置にあるのが望ましい
HV:低
増幅率:小
MIP
noise
波高
HV:高
増幅率:大
波高
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検出効率測定のためのセットアップ
discriminator
scaler
reference1
測定対象
reference2
Vth=-50mV
Vth=-50mV
Vth=-50mV
HV:固定
初期値:-1.8kV
HV:調整
-2.0kV ~ -1.2kV
N1 …
カウンターTがMIP信号,またはノイズを検出した数
N2 …
カウンターR1,R2が同時にMIP信号を検出した数.すなわちR1,R2の間に
位置するTを荷電粒子が通過した数にほぼ等しい.
N3 …
カウンターR1,R2が同時にMIP信号を検出した時にカウンターTも同時に
信号を検出した数.すなわち,Tを荷電粒子が通過したときにTがそれを検
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出した数にほぼ等しい.
計数率および検出効率のHV依存性
MIP+noise
-1.2kV
波高
検出効率
-2.0kV
-HV
50Vマージン
1
検出効率
頻度
N3/N2…
急激に増加
計数率[Hz]
頻度
N1/Δt … MIP信号+ノイズの計数率(Rate[Hz])
MIP
プラトー
0
波高
-1.2kV
-HV
-2.0kV
プラトー(plateau)に達したところから50Vのマージンをとる.
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測定データの統計誤差

事象数N … Poisson分布



偶発事象
発生確率一定
期待値(平均値)がμの時
 μは,一般には不明.観測量であ
るNを母数μの推定値として使う
(Nが大きいときは,ほぼ正しい)

N回試行してM回成功
… 二項分布

成功確率pのとき
 pは,一般には不明.観測量である
M/Nを母数pの推定値として使う
(M,Nが大きいときは,ほぼ正しい)
 検出効率εの統計誤差
 計数率N1/Δtの統計誤差
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PMT出力端子
14
高圧電源(REPIC RPH-030)
フロントパネル
リアパネル
1~4ch
を選択
高圧ケーブルのタグを
確認しHVのチャンネ
ルとPMTとの対応を確
認しておく.
モニターする量(電圧・電流・
電流上限値)を切り替える
スイッチは引きな
がら倒す
メインスイッチ
15
測定結果の保存

各グループで、光電子増倍管3本に関して以下
をプリントしておくこと:


検出効率のHV依存性
計数率のHV依存性
16
バックアップ
17
物質中を通過するμ粒子
18
ダウンロード

ppt