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ＫＥＫビームの偏光度測定 ＆ プラスチックシンチレーター のレスポンス測定 2005 年 12 月 5 日～ 7 日＠ KEK. 2005 年 12 月 28 日 広島大学 理学研究科 山本和英 [email protected]. KEKcal_2005-12-28.ppt. 目次. （ Ⅰ ）実験の目的 （ Ⅱ ）ビームの偏光度測定 実験セットアップ KEK 実験前の実験 Run Summary データ解析、結果 （ Ⅲ ）プラスチックシンチレーターのレスポンス測定 実験セットアップ Run Summary - PowerPoint PPT Presentation
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ＫＥＫビームの偏光度測定＆
プラスチックシンチレーターのレスポンス測定
2005 年 12 月 5 日～ 7 日＠ KEK
2005 年 12 月 28 日広島大学 理学研究科
KEKcal_2005-12-28.ppt
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目次（Ⅰ）実験の目的（Ⅱ）ビームの偏光度測定• 実験セットアップ• KEK 実験前の実験• Run Summary• データ解析、結果（Ⅲ）プラスチックシンチレーターのレスポンス測定• 実験セットアップ• Run Summary• レスポンス
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実験の目的 今回行われた PoGO プロトタイプの試験に用いられたビームの偏光度は 100 パーセントではなく、その値は正確に知られていない。そのため正確なデータ解析を行う上で必要になる偏光度を本測定で求めた。具体的には、 70 、 50 、 30keV のビームに対し、散乱型偏光計を用いて測定した。
また PoGO で用いられる、プラスチックシンチレーターのエネルギーレスポンスは、 2005 年夏の SLAC での 55Fe 、 241A ｍを用いた実験よりリニアにならないことが分かっており、これが現在のレスポンスの不定性の原因 ( のひとつ ) である。そこで今回ビームを用いてその関係を正確に出すべく測定を行った。
時期・場所2005 年 12 月 6 日－ 7 日 高エネルギー加速器機構 PF-BL 14A
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（Ⅰ）ビームの偏光度測定実験セットアップ（１）
ビーム
180° 回転
3.7 cm
この実験で用いた偏光計は、阪大の林田さんからお借りした回転台と、プラスチックシンチレーター（ PMT ）、 CdTe からなる散乱型偏光計である。 回転制御の概要
回転台[Model ： SGSP-120YAW(ver2.0) (SIGMAKOKI)]
制御コントローラーMark-204MS(ver.2.0)(SIGMAKOKI)
ノート PC
USB シリアルコンバーター
RS-232C
付属ケーブル
制御ソフトSG commander※CdTe の先端に次ページで示してある P ｂのコリ
メータを加えたものが最終セットアップになる。
◎ この状態を０度と定義している 図は散乱体シンチ
と CdTe は 15cm離れているが、最終形では～ 4cmになっている。
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実験セットアップ（２）吸収体の CdTe は、厚さ 0.5 mm の Pb シートで側面とトップを覆っている 0.7 cm
17 cm
反射材 ( テフロンテープ )を巻いたプラスチックシンチレータ
2.77 cm
PMT型番： H371-04S/N ： LB3401
CdTe 型番： 181820
プリアンプ型番： 582KS/N ： 019336
~2.5 cm
~2.0 cm~0.2 cm
シリコンラバー
~ 0.1 mm の Al の入射窓 ＋1.8×1.8×2.0 mm の結晶
2 cm
直径～ 0.4 cm の穴4.5 cm
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実験セットアップ（ 3 ）
PMT PreampShaper(ORTEC 571)
1ch
CdTe PreampShaper(ORTEC 571)
Delayamp(ORTEC 427A)
2ch
Gate
Sample hold
HV 1200V（外部印加電圧 4.8V ）
BIAS 電圧 160V
Gain 40 倍Shaping time 0.5μs
Gain 140 倍Shaping time 0.5μs
VME
最終ダイノード
型番 :CP-2869S/N :011069
Gate Generator(N-TM307)
Gate generator(N-TM203) ch3
ch4
Gate Generator(N-TM307)
Clock Generator (100Hz; N-TM203)
ch1
ch2Coincidence
PMTamp(Lecroy 612A)
アノード Discriminator
(N-TM305)
(veto)
out(start)
out
out
and
start
UNI
Visual scaler
UNI
BI
out
TTL
NIM
(N-TK215T)
Clear Pulse 1113A
DIO(CP-2610)
(stop※)
※DIO の outもしくは、１ms 後に stop
Gate generator(N-TM203) ch5
out
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実験セットアップ（ 4 ）
10 μs
5.9 μs
ゲート (TTL)
サンプルホールド (TTL)
データ取得のタイミングチャート
∬
ゲート (NIM)
off
on
ゲートへの veto がかかるDIO の合図または、1ms で閉じる
ゲートへの veto
2.0μs
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KEK での本実験前の予備実験（ⅰ） ADC のリニアリティ測定
本実験で用いた ADC がどのくらいのチャンネルまで使えるのか確認するために、パルサーを用いて入射パルスの波高値を上げていって、そのピークチャンネルを測定した。
Channnel 1 （ PMT ADC ） Channnel 2 （ CdTe ADC ）
2967ch 2957ch
上のグラフより ch1 、 ch2 共に 8 ボルト以上ではリニアにならないので、 70keV のすそが 2950ch にかからないようにシェーパーのゲインを調節した。ただし CdTe のシェーパーは、 6V 以上でサチュレーションしてしまうので、 70keV のすそが 2240chにかからないようにシェーパーのゲインを調整した。なお直線フィット ( 入力 8V 以下 )の結果は Ch1:y=99.3+358.5x 、 Ch2:y=96.2+357.6x である。
2240ch
パルサーの入力電圧 パルサーの入力電圧
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低エネルギー側のリニアリティーパルサーの 100 倍のアテニュエーションをかけて測定を行った
上の 2 つのグラフから分かるように低エネルギー側にもノンリニアリティ ( とくに ch1) が見られる
y=95.1+374.4xy=96.7+377.4x
オフセットの影響は、入力が 0 に近い所の方が影響が大きくなるので、オフセットの値としてCh1 は 97ch 、 Ch2 は 95ch を採用し、以降の解析で考慮することにした。
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（ⅱ） 241Am （ 59.5 keV ）によるキャリブレーション結果
241Am のピークCdTe PMT
CdTe 、 PMT 共に、きれいに 241Am のピークが取得できた。 さらに ADC のリニアである領域（ ch1 ： 2967 以下、 ch2 ： 2957 ）に今回測定を行った上限の 70keV のピークが収まるようにアンプのゲインを調節した（※前ぺージで述べた様に ch2 は 2240ch 以下に収まるように調整した）。 この時、 241Am に対するピークは CdTe でおよそ 1475ch 、プラスチックシンチでおよそ 2277ch である ( 上図 ) 。
Peak channnel ： 2277ch :287.1chFWHM ： 30.9%
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（ⅲ） CdTe の時間変化による安定性実験
15 分後60 分後120 分後180 分後
上図は 15 、 60 、 120 、 180 分経過した時の CdTe のスペクトルであり、3 時間以内ではスペクトルに大きな変化は見られなかった。
CdTe はスペクトルのピークが、時間が経つにつれて広がるものがあるので、今回使用した CdTe の性能の時間変化を測定した。（※広がった例： 2001 年広大 井本、中本レポート 『 CdTe 検出器について』）
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Run Summary
データファイルの置き場 http://www-heaf.hepl.hiroshima-u.ac.jp/~mizuno/PoGO/KEK2005/index.html
Degree 70keV (Beam rate ~410 Hz) 50keV (~250 Hz) 30keV (~320 Hz)
0 1206_12.root 、 1206_25.root 1207_05.root 、 1207_19.root
1207_30.root
15 1206_24.root 1207_18.root 1207_31.root
30 1206_13.root 1207_06.root 1207_29.root
45 1206_23.root 1207_17.root 1207_32.root
60 1206_14.root 1207_07.root 1207_28.root
75 1206_22.root 1207_16.root 1207_33.root
90 1206_15.root 1207_08.root 1207_26.root
105 1206_21.root 1207_15.root 1207_34.root
120 1206_16.root 1207_10.root 1207_25.root
135 1206_20.root 1207_14.root 1207_35.root
150 1206_17.root 1207_11.root 1207_24.root
165 1206_19.root 1207_13.root 1207_36.root
180 1206_18.root 1207_12.root 、 1207_20.root
1207_23.root※Root ファイルには ntuple （ ch1 、 ch2 、 ch3 、 ch4 ）およびヒストグラムの形式で保存されている。
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データ解析イベントセレクション
解析方法・ビームレートで割って規格化し、モジュレーションカーブを描く・三角関数でフィットして、モジュレーションファクターと位相差を求める。
70 、 50 、 30keV それぞれのピークチャンネル1527ch 、 1158ch 、 752ch前後 10% のイベントのみをセレクションする。
ピークチャンネルの前後 10 ％の領域のみをセレクションする
ピーク
p[0](1+p[1]cos(2×3.1415/180.0×(x+p[2])))
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データ解析（１）70 ｋｅＶのビームの偏光度
モジュレーションファクター： 81.64±0.50%位相のズレ ： -2.54±0.25 deg
Cou
nt
/ bea
mra
te(k
Hz)
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データ解析（２）50 ｋｅＶのビームの偏光度
モジュレーションファクター： 81.62±0.60%位相のズレ ： -4.94±0.30deg
Cou
nt
/ bea
mra
te(k
Hz)
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データ解析（３）30 ｋｅＶのビームの偏光度
モジュレーションファクター： 79.48+-0.61%位相のズレ ： -0.27±0.30deg
Cou
nt
/ bea
mra
te(k
Hz)
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結果のまとめエネルギー
MF(%) 位相のずれ
70keV 81.64+-0.50 -2.54+-0.25
50keV 81.62+-0.60 -4.94+-0.30
30keV 79.48+-0.60 -0.27+-0.30偏光度キャリブレーション実験の結果をまとめると上のようになる。あきらかな非対称性 (180 度のカウントが、 0 度のそれより大きい ) がみられ、単純な三角関数ではデータをあらわせないので、エラーはあくまで参考値として欲しい。これから分かることなどを、以下に列挙する。
•MF は一番小さいときで 79.5+-0.6% であり、偏光度は最低でも 80% 以上(70keV 、 50keV では 82% 以上 ) と考えられる。これは「偏光度は 80-85% である」という情報とコンシステント•正確な偏光度を出すには、シミュレーションとの比較が必要。 ( 今後の課題 )•30keV は他のエネルギーより 2% ほど MF が低い。これが有意な違いなのか、イベントセレクションやレーリー散乱の影響なのかはシミュレーション等を用いて検討する。( 今後の課題 )•統計的には有為に位相がずれている (0 度とコンシステントではない ) 。原因が回転台ではなく、机の傾きなどであれば、プロトタイプの実験でも同じ傾向が見られると期待される。•イベントセレクションの最適化は今後検討する。 ( 今後の課題 )
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実験セットアップ (2)•偏光度測定のセットアップのままで、トリガーのみを PMT トリガーに変更•測定直前に、スケーラーで discri の出力のレート ( ビームの強度 ) を確認。パイルアップしないように、 10kHz 程度以下に強度を調節した。
（Ⅱ）プラスチックシンチレーターのレスポンス測定
PMT PreampShaper(ORTEC 571)
1ch
Gate
Sample hold
HV 1200V（外部印加電圧 4.8V ）
Gain 40 倍Shaping time 0.5μs
VME
最終ダイノード
型番 :CP-2869S/N :011069
Gate Generator(N-TM307)
Logic Adapter(N-TS221)
Gate generator(N-TM203)
トリガー Gate Generator(N-TM307)
PMTamp(Lecroy 612A)
アノード Discriminator
(N-TM305)
(veto)
out(start)
out
out
start
UNI
out
TTL
NIM
DIO(CP-2610)
out(stop※)
Clear Pulse 1113A
※DIO の out もしくは、１ ms 後にstop する
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Run Summaryエネルギー（ keV ） ファイル名 ビームの強度調整
に用いたフィルター
ビームレート
8 1207_44.root Mo 25μm 200 kHz(?)
10 1207_43.root Mo 125μm
15 1207_42.root Mo 250μm 9 kHz
19 1207_41.root Mo 700μm 10 kHz
25 1207_40.root W 100μm
30 1207_22.root W 320 Hz
40 1207_38.root W 350μm
50 1207_03.root Pb 0.5 mm 250 Hz
59.5 (241Am 線源使用 )
1207_01.root なし
60 1207_39.root Pb 1.5 mm 5.5 kHz
70 1206_11.root Pb 1.0 mm 410 Hz
※Root ファイルには ntuple （ ch1 、 ch2 、 ch3 、 ch4 ）およびヒストグラムの形式で保存されている。
これは高すぎるので、記入ミスで200Hz の間違いだと思われる。
これらに加え、 KEK 実験前に 55Fe(FePMT3.root)および 241Am(AmPMT1125.root) でデータを取得した。
データファイルの置き場 http://www-heaf.hepl.hiroshima-u.ac.jp/~mizuno/PoGO/KEK2005/index.html
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プラスチックシンチレータ－のレスポンス (1)Energy(keV) VS Ratio
•ADC のリニアリティ測定で求めたオフセットを考慮し、得られたピークのチャンネルをエネルギーで割り、 59.5 keV(241Am)のときに 1 になるように規格化•5.9 keV のデータ点は、事前の 5
5Fe 、 241Am の測定結果を元にスケールさせた。
•これまで知られていた 5.9keV 、 59.5keV 間の非線形成と滑らかにつながる関係がえられた。また、非線形成は高いエネルギー (50keV 程度 ) でも既に始まっていることがわかる。•30keV 、 50keV のデータ点が他より低いのは、ビームの偏光度測定の際にとったデータであり、温度の違いなどのためと思われる。同じ理由で、 70keV がもっと大きな値をとる可能性がある。•5.9 keV までなめらかに結ぶことができる。これを元に、適当に外挿してレスポンス( 非線形成 ) を仮定し、プロトタイプ試験の結果 ( 例えば Argonne や KEK における、中心シンチのエネルギースペクトル ) をシミュレーションで再現できるか否かで、レスポンスを求めることを目指す。 ( 今後の課題 )
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プラスチックシンチレータ－のレスポンス(2)Energy(keV) VS Peak channel
•全項と同じ処理を行い、通常のエネルギー vs. ピークチャンネルの関係にプロットした図。
•上図のように通常の線形性プロットを作ると、ほぼ直線にのり 3-4 keV で x 軸と交わることが分かる。ただし、 Takase et al. (1994 SPIE, 2283 265) で示されているように、1 keV の X 線までプラスチックシンチで検出できるので、 4 keV 以下で光量が 0 となるわけではないだろう。•また低エネルギーではポアソン分布になるため、実際の光量より低めのピークになることにも注意。ポアソン分布のあてはめ、 single photon データとの比較を行い、正確なレスポンス ( エネルギーと光量の関係 ) を求めたい。分解能の解析とともに今後の課題。•最終的には、コンプトン散乱法を用いて低エネルギーの X 線に対する応答を直接求めたい。 ( 今後の課題 )
