平成１５年度課題研究 P ６希ガスシンチレータ班

発表者：穴田貴康　西村広展　湯浅翠　　　　　　　　 2004 年 3 月 11 日

目次• 動機• セットアップ• 測定• 解析• 結論

• μ-PIC で荷電粒子の二次元 track

• 反応時刻がわかれば drift time より三次元 track がわかる。

⇒self trigger （光）の必要性

① 　 n+3He→p+3H 　 Q=764keV

② MeV γ 100 ～数 100keV

③ ダークマター検出器10 ～数 10keV

→ 検出の簡単な①の研究

１．動機μ-PIC を用いた TPC のトリガーが欲し

い

μ-TPC

希ガスシンチレーション　• 高速　（ 2~3 ns)

• 紫外線から可視光領域のシンチレーション光

• 数 MeVα 線　で０（１０３）個の光子生成

⇒ 中性子検出器の triggerへ

⇒ 実際に十分な量が検出可能か？

放射線計測ハンドブック（ G.F.Knoll 著 ) より引用

２．使用機器• マントル• PMT 二本 ( 詳細は後ほど）• 真空耐圧容器 0~2 atm• 黒い画用紙、反射材• ガス (Kr 、 Xe) 　 3 回 Flush 1atm→ お金がかかったのは PMT だけ

9cm

21cm

反射材 / 黒画用紙

マントル

PMT

2-1.α 線源　　　　　・マントル：ランタンの

発光体。トリウムが添加されているものが多い。トリウムは放射線壊変に伴って 4~9MeVの α 線を出す。

６ｃｍ捨てても大丈夫　　　

TOKYU HANDS で 3 個 \700

トリウム系列( 単位は MeV)

2-2.PMT透過型光電面分光感度特性

光電面放射感度

(mA/W)

量子効率

波長 (nm)

9.5cm

• 浜松フォトニクス社製• Ｈ３６９５ １９ｰ• 光電面直径 8mm• GAIN 1.1×106 (-1250V)

（カタログ値）• 波長帯域の広いものを

選んだ

320

20%

2-3. 測定環境 HV-1400V-1500V

オシロスコープ

信号が見えました

• 二本の PMT （ HV-1400V ， -1500V ）から同時の信号

• PMT からのシグナル 高速 5ns 　 10 ～ 20

0mV

⇒ 何かが光っている。

6ns

30mV

20mV

2-4. データ取得システム　• 増幅回路 (Charge Amp)• 信号分岐（ F.I.O モジュール）• Discriminator• Coincidence （暗電流対策）• Gate generator• QDC (V792)

2-4-1. 増幅回路

• Ｌ M ７１７１ 高速オペアンプ( スルーレート 4100 V/μs)

• Charge Sensitive 型Charge 130 倍

300 ns

50 mV

20 mV

6 ns

2-4-2.QDC 　 V792

100ns

400mV

3V

ADCchannel 値と Charge の関係•Calibration をする。　→パルスの作成　　

F.G. からの矩形波を微分矩形波の Pulse Height でADC に入る電荷量を調整

時定数10pF×50Ω

=0.5ns

実際は~100ns

352.7channel

23-pin

230.5channel

28-pin

160ch以下Q=0.37x+28.7

Q=0.45x+88.6

Q=0.29x+44.7

23-pin

28-pin

マニュアル値： 400pC⇔4096ch→1pC⇔10.24ch

Signal が高速なので減衰している

2-5.PMT の絶対 GAIN• パルス暗電流の最大＝ one-photo-electron相当⇒one-photo-electron に対応する ADC channel を調べる。

• 印加電圧は PMT A は -1500V 、 PMT B は -1400V 。

PMT＋アンプ　絶対 GAIN

(40±5)ch→(44±2)pC 1.6×10-7pC×PMTGAIN×AMPGAIN=(44±2)pC

40ch 40ch

光もれではありません

PMT A PMT B

AMPGAIN=130±10

⇒ 　PMTGAIN=1.9×106~2.4×106

３．スペクトル測定Kr＋マントル＋黒画用紙

PMT APMT B

Kr + マントル + 反射材

1.3 倍

約 1.3 倍の集光率

3-1. マントルの α 線以外の成分

μ

Kr

αβγ

βγαβγ

マントルの放射線か？容器内壁の放射線？

85Kr の自発放射は？外部からの放射線は？

MIP

宇宙線ミューオンが 1cm走ると約 5keV落とす

ゴミ袋 4枚（ 100μm）でマントルの α線のみが

遮蔽される

βγKr αβγ

μ

3-2. マントルの α 線のみをとりだすには？

• トリウム系列で最もエネルギーの高い α 線の、ポリエチレン中における飛程　　　　　　　→ 80μm

• 1MeV の β 線のポリエチレン中における飛程　　　　→ 4400μm

αβγ

3-3.α 線のスペクトル

Kr + マントル + 黒画用紙

のスペクトルから

Kr + マントル + 黒画用紙

+ ゴミ袋　を引く

3-4. QDC の channel　　　　　　　　　→ photo-elec

tron 数

N p.e.e: 素電荷G: GPMT × GAMP

N ・ G ・ e ・ Att. [pC]

QDC の channelQDCchannel 値とCharge の関係

逆算すると ch→p.e. の変換が可能

3-4. QDC の channel　　　　　　　　　→ photo-elec

tron 数

3-5. Kr と Xe

Xe の方がよく光っている。

10.5 Hz 14.8 Hz

４．シミュレーション

① 測定環境のモデル化② 発光量　（ bragg cur

ve ）③ 立体角④ マントル内部構造

① 測定環境のモデル化

②Bragg 　 curve (ｂｙ　 SRIM)

容器の壁面での反射はない

Xe

Kr

③PMT 光電面を見込む立体角

• ｚ軸対称性• r-z依存性Z=-1cm

容器の中を走らせる。• 一定の初期エネルギー• ランダムな直線軌跡　• 発光光子数はエネルギー損失

に比例• PMT入射光子数 = 発光光子数 ×立体角 /4π

④マントルから出てくるα 線エネルギー

• マントルの素材は 6-6 ナイロン

• 飛程　最大８０ μ ｍ• 初期エネルギーはト

リウム系列中のアルファ ８４％の α 線は吸収される　

以上の条件のもとのシミュレートの結果

107cts

実験データとの比較0. 26±0.05

22±4.4 p.e

3800±1900events

600±400events

p.e

cts/2000s

Kr の場合（量子効率 0.2±0.04 ）

N×(0.26±0.05) ×(0.2±0.04)

= （ 22±4.4 ）

１ MeVあたり 400±150 個の光子が生成

(107×600÷3800) ÷2000=800

800±660 個の α 線が毎秒放出

Xe の場合１ MeVあたり 1100±400 個の光子生

成 6000±5400 個の α 線が毎秒放出

p.e

5-1. 中性子検出器のトリガー

• n+3He→p+3H 　　 764keV

• α 線と同等のシンチレーション効率をもつと仮定すると

　　⇒ Kr 　 400±150[photons/MeV]×0.764 [MeV]

=300±100[photons]

　　⇒ Xe 850±300[photons] 　　　 のシンチレーション光子が放出されるPMT に入射する photon 数を１０以上確保するに

は　　⇒ Kr 　５％　 Xe 　２％　の立体角で十分　

５　結果

　 5-2 マントルのトリウム含有量• マントル中から出てきたアルファ線の量解析結果より⇒ Kr 　 800±660Hz 　 Xe 　 6000±5400Hz （表面　厚さ 80μm内のみの寄与）　

　　　　 600Hz~1400Hzトリウム原子数 N＝崩壊速度 A 　 [/s] ×半減期 T[s]/ln2 T=4.4×1017 [s] A= （ 1000±400 ） / (6×16%)[/s]← シミュレート結果より見積もり

N= （ 6.6±2.6 ） ×1020 マントル全体（（ 300±50 ） μm ）で

(2.4±1.3)×1021 　個のトリウム原子核　トリウムの原子量　 232 　→　　質量換算 920±500mg マントル一枚の重量　 1.3g 　→　今実験では二枚使用 2.6 g

質量比 （ 35±19 ） %

まとめ• 希ガスのシンチレーション光が見えまし

た。

• μ-TPC 中性子検出器のトリガーとして希ガスシンチレーションが利用可能です。

• マントルに含まれるトリウム量も見積もりました。 15~50%