RIBFRIBF における不安定核反応実験のためにおける不安定核反応実験のためのの高効率中性子検出器の開発高効率中性子検出器の開発

東工大　理工　中村研究室東工大　理工　中村研究室田中佳奈　中村隆司　佐藤義輝　小林信之田中佳奈　中村隆司　佐藤義輝　小林信之

日本物理学会日本物理学会20082008 年秋季大会　実験核物理領域年秋季大会　実験核物理領域

For the future

　　　　　　　　　　　　

E/A=350MeV

@ 理化学研究所

新施設 RIBF(RI Beam Factory) 2007年完成

従来の施設A＜ 50E~100MeV/n

RIBFRIBFにおける不安定核ビームの高エネルギー化・大強度における不安定核ビームの高エネルギー化・大強度化化

中性子検出器NEBULA（開発・建設中、 2008~2011年）

エネルギー

E[M

eV/n

]

A＜ 238 , E~350MeV/n世界最大強度 1013個 /s

BigRIPS

IRC

SRC

fRC

不安定核ビームの質量数 A

RIBF

従来

RIKEN

エネルギー

E[M

eV/n

]

不安定核ビームを用いた実験不安定核ビームを用いた実験

放出粒子の運動量 Pの測定→非束縛準位のエネルギー Exの特定

12Be+2n

14Be(0+)

14Be(2+)

Ex

S2n

中性子ドリップライン近傍の原子核の非束縛準位の特定：不変質量法

励起・崩壊

例： 14Beの非弾性散乱[1] n

nn

n14Be(2+)

n

n14Be(0+)12Be 12Be

12Be

12Cref.[1] T.Sugimoto et al.Phys.Lett.B 654,160(2007)‘The first 2+ state of 14Be’

Pn

PBe

target

不安定核ビーム

放出粒子（中性子など）を検出

Pn

MMMME nnBeBerel

12*14

SEE nrelx 2

212

2

12*14 PPPEEEM nnBennBeBe

従来の施設での実験装置

実験装置のアップグレード実験装置のアップグレードRIBFで計画されている実験装置

不安定核ビーム(~100MeV/n)

[cm]

中性子検出器NEBULA

不安定核ビーム

(~350MeV/n)

target

荷電粒子や陽子

n

n核

核nn

1m1m

高エネルギーの放出粒子を高効率で検出する検出器

検出効率（ 20%→70% ）

アクセプタンス（鉛直方向 ±5° ）

質量分解能の向上（質量数 20→100 ）

高エネルギー化

中性子（ 100 ～

350MeV ）

中性子（ 30 ～

100MeV ）

・ Veto カウンタと複数面の中性子検出器・各面プラスチックシンチレータ（ 12W×180H×10Dcm3 ） ×30 本と両読みのフォトマル・中性子の位置と飛行時間（ TOF ）を測定

中性子検出器中性子検出器 NEBULANEBULA(NEutron-detection system for Breakup of Unstable-nuclei with Large Acceptance)

特徴・目標値・高効率： 20%→ 70%・大きなアクセプタンス水平方向 ±10°,鉛直方向 ±5°・複数個の中性子の検出効率の向上2nの場合： (20%)2=4%→(70%)2=49%・不変質量分解能：従来の水準（相対エネルギー 1MeV で 200keV ）またはそれ以上

中性子

Veto カウンタ3.6m

1.8m

Ⅰ 計算コード DEMONS によるシミュレーションⅡ プロトタイプ検出器によるオフラインでの時間分解能の測定

位置・飛行時間を測定

ⅠⅠ-1 -1 中性子の検出方法中性子の検出方法中性子→直接検出不可能

② エネルギー移行率 @ 弾性散乱 　 　　 　 　

③ 発光効率（反跳荷電粒子の 229MeVee 7.9MeVee

質量によって異なる） 　 　

nEM

ME 2

2

1cos4

2cos

1

np EE

M

より

2cos284.0

12

nC EE

M

より

)0,MeV250( nE)0,MeV250( nE

n+p　→　 n+p n+12C 　→　 n+12C

① プラスチックシンチレータ中の水素や炭素と反

応

発光量が少ない散乱→ 中性子はほとんど検出されない→ 後方で検出される中性子の位置・時間分解能の低下

中性子 散乱 1

散乱 2散乱3 検出

① プラスチックシンチレータ中の水素や炭素と反応② 中性子は荷電粒子にエネルギーを移行③ 荷電粒子による発光を検出

プラスチックシンチレータ

12Cp n

n

p

n

Ep

n

En

θ

ⅠⅠ-2 -2 計算コード計算コード DEMONSDEMONSによるシミュレーションによるシミュレーション

厚さ 12[cm]×N 面

1 回目の散乱で検出

2 回目3 回目以上

中性子250MeVpencil beam

zx

y

1 回目の散乱で検出

2 回目

3 回目以上

z[cm]（後方の面）

70%

(x,y,z), t

(x0,y0,z0), t0 「中性子が最初に検出されるまでの散乱回数」に注目 -- 検出効率の厚さ依存性 　　　　　 スレッショルド： 6MeVee

-- 位置分解能の厚さ依存性　　　　　　位置分解能：⊿ x=x-x0,⊿y=y-y0,⊿z=z-z0　　　　　　 Intrinsic な時間の不確定性： σ=130ps を付加

検出効率の厚さ依存性 位置分解能（ y方向）の厚さ依存性

検出計算コード DEMONS -- 検出器のジオメトリ、標的での入射中性子の位置・エネルギー等を入力 -- 中性子の軌跡を追うモンカルロシミュレーション

100

80

60

40

20

0

検出効

率

100cm

180cm12cm

[cm])(y

ⅠⅠ-3 -3 計算コード計算コード DEMONSDEMONSによるシミュレーションによるシミュレーション相対エネルギー分解能の厚さ依存性--32Ne(E=250MeV/n、 Erel=1MeV)→30Ne+n+n--1回目に検出された中性子 ×2個、荷電粒子→ Erel

n

n

32Ne

30Ne

30Ne PBe

82Pb target

250MeV/npencil beam

放射中性子220~280MeV Pn

Pn

n

n

中性子検出器NEBULA

相対エネルギー分解能の厚さ依存性

z[cm]（後方の面）

運動量分解能　　 =p/700 を付加 z

[MeV])(Erel

ⅡⅡ-1-1　プロトタイプ検出器による時間分解能の測定　プロトタイプ検出器による時間分解能の測定実験セットアップ

①12 段 H7195②10 段 R7724ASSY　　　（ライトガイド有無）③12 段 XP2262B

スタートカウンターplastic scintillator(EJ200)15W×1H×3Dcm3

中性子検出器plastic scintillator(EJ200)180W×10H×12Dcm3

light guideφ4.6×10H×12Dcm3

A.2”12 段 H7195B.3”12 段 H6559

-- 宇宙線を特定するための　 3 重コインシデンス-- スタート（ CFD ）：　　時間分解能 (σ) ～ 50ps　 ストップ（ Leading edge ）：-- 左側： 2”,3” 、セメントで固定 右側：グリス＋固定具-- ライトガイド： UVT 、ルサイト-- スレッショルド -30mV ～ -200mV

右側：固定具の様子右側：固定具の様子

1212 段段 XP2262BXP2262Bスタートカウンタースタートカウンター

宇宙線

Tu

TdTR

TL

2)( du TTT

RL TT ,

908070605040302010

00 500 1000 1500 2000

ⅡⅡ-2-2　解析方法　解析方法

count

count

ADC

ADCADC

①

② ③

ノイズ除去

スルー補正 ガウス関数をフィット　　　↓時間分解能 1σ

0 500 1000 1500 2000 0 500 1000 1500 2000

0

-1

-2

-3

-4

-5

0

-1

-2

-3

-4

-5

60

50

40

30

20

10

0 -3 -2 -1 0 1

①ADC スペクトルにゲート　　→ノイズを除去

② スルー補正

③ のヒストグラム　　→ガウス関数をフィット

ADCTDC 1C

RTT

TDC( ) nsRTT TDC( ) nsRTT

2

2

1exp

t

Atg

TDC( ) nsRTT

宇宙線

ⅡⅡ-3-3　時間分解能の　時間分解能の HVHV依存性依存性②10 段 R7724ASSY①12 段 H7195

③12 段 XP2262B

時間分解能（片読み）：①②110ps③130ps　　相対エネルギー　　分解能（ DEMONS ）①②165keV③166keV

時間[ns]

100

101

102

1000 1500 2000 2500 3000-HV[V]

TTS

[ps])(t

[ps])(t

HV

1t

HAMAMATSU

ⅡⅡ-4-4　ライトガイドの有無による時間分解能の違い　ライトガイドの有無による時間分解能の違い

ⅡⅡ-5-5　光電面の径による時間分解能の違い　光電面の径による時間分解能の違いA. 2”H7195 B. 3”H6559

TTS （ FWHM ）：1.1ns

②10 段 R7724ASSY

[ps])(t

[ps])(t

TTS （ FWHM ）：1.5ns

ライトガイドありの方が高い時間分解能が得られた

2” の方が高い時間分解能が得られた

Ⅰ　 DEMONS　・中性子検出器の配置の工夫→クロストーク現象に関する考察

Ⅱ　プロトタイプ検出器　・高エネルギーの陽子ビームを用いた 7Li(p,n)7Be反応による中性子検出器のテスト

今後今後

まとめまとめⅠ 　 DEMONS　・厚さ 100cm で検出効率 70 ％以上を実現。　・後方の面で検出される中性子→位置・時間・相対エネルギー分解能が低下

Ⅱ 　プロトタイプ検出器　・オフラインで宇宙線を検出。片読みで 110 、 130ps の時間分解能が得られた。　　　→相対エネルギー分解能はほとんど変わらない

終わり

スルー補正についてスルー補正について

ADCADC

スルー補正

0 500 1000 1500 2000 0 500 1000 1500 2000

0

-1

-2

-3

-4

-5

0

-1

-2

-3

-4

-5

TDC( ) nsRT TDC( ) nsRTT

効果を差し引くからスルー現象の

をフィットし

RT

C

ADCTDC 1

ADC1C

T RR

観測時刻＝真の時刻＋スルーの効果

時間分解能の時間分解能の ADCADCピーク依存性ピーク依存性

時間分解能の電荷量依存性時間分解能の電荷量依存性

時間分解能の位置依存性時間分解能の位置依存性

検出位置との距離が短い→ 高い時間分解能

時間分解能の時間分解能の HVHV依存性（スレッショルド依存性（スレッショルド=30mV=30mVの時）の時）高い HV→TTS 等が短くなる→高い時間分解能さらに高い HV→ プラトーな領域を超え、ノイズが増える→時間分解能悪化

0.01

0.1

1

10

100

1000

10000

1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900

スレッショルド30mV30mV120mV120mV200mV200mV

プラトー領域に入るように HV ・スレッショルドをかける

count/s

100

プラトー領域10

1000

固定の仕方による時間分解能の違い固定の仕方による時間分解能の違い

フォトマル： H7195 　　条件：オプティカルセメント or グリス＋固定具

時間分解

能

[ps]

A. オプティカルセメント

① グリス＋固定具

セメントの方が 10% 程度高い時間分解能が得られた。

100ps 110ps

TDCTDCキャリブレーションキャリブレーション TDC　 8モジュールの較正式x[ch],y[ns]ch1： y = 0.0247x + 8.305

ch2 ： y = 0.0248x + 8.276

ch3 ： y = 0.0249x + 7.7005

ch4 ： y = 0.0246x + 8.2265

ch5 ： y = 0.0242x + 8.4631

ch6 ： y = 0.0249x + 8.367

ch7 ： y = 0.0248x + 8.6955

ch8 ： y = 0.0251x + 8.7981

0

20

40

60

80

100

120

0 1000 2000 3000 4000 5000

TDC ch

ns

ch1

ch2

ch3

ch4

ch5

ch6

ch7

ch8

HVHVとと LeakLeak電流の関係電流の関係

0

200

400

600

800

1000

1200

500 1000 1500 2000 2500 3000

-HV[V]

leak

cur

rent

[μA

]

H7195

R7724ASSY

XP2262B

H6559

VCTTC

T

TV

TT

veVmv

1

1,,

2

1 2

（一定）

時間[ns]

100

101

102

1000 1500 2000 2500 3000-HV[V]

TTS

HAMAMATSU

HVHV とと ADCADC ピークピーク chch の関係の関係

時間分解能の時間分解能の HVHV依存性依存性

30ns delay

G.G.

Output Reg.

TDCfull range 100ns

Width 50ns

Trigger 30mVWidth 150ns

VETO

start

stop

Delay THRUWidth 200ns

Delay THRUWidth LATCH

100nsdelay

ch1

Trigger 40mVWidth 80ns

Width 50ns

100nsdelay

Discri.

ch1~8 analog ADCfull range 1000pC

CFD

ch2 CFD

ch3 CFD

ch4 CFD

ch5

Width 50nsch6 Discri.

ch7 Discri.

ch8 Discri.

Width 50ns

G.G.

ADC gate

TDC start

200nsdelay

スタートカウンター

中性子検出器

回路図回路図

宇宙線の宇宙線の FluxFlux

12

3695.01220

201

7376.01210

101

)(cos1cossin

cossec]/1[

]/1[

3

222

3

221

00322

00

0

22

00

rate

rate

rdd

FdSrate

FcmsrFlux

FluxST

Nsrate

が一定の時

よりは宇宙線の

とすると天頂角を

面積測定時間総数

地上

12cm

12cm

10cm

10cm

10cm

100c/h

200c/h

②γ線による発光の排除が目的③炭素との弾性散乱が極端に減少→検出されず分解能低下の原因

番号 反応① n+p → n+p （陽子との弾性散乱）

② n+12C → n+12C+γ

③n+12C → n+12C （炭素との弾性散乱）

④ n+12C → n+12C+γ

⑤ n+12C → α+9Be

⑥ n+12C → n+3α

⑦ n+12C → n+p+11B、 n+n+11C、 p+12B

全ての散乱

反応番号

count

1 回目に検出される散乱

① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦

各面の位置・時間分解能各面の位置・時間分解能

中性子 A1

A2A3

C1

zx

y

1回目の散乱で検出

2回目

3回目以上の散乱で検出

中性子が最初に検出されるまでの散乱回数 n ごと

後方の面で位置・時間分解能の低下

検出効率の厚さ依存性（検出効率の厚さ依存性（ z×8z×8面）面）

相対エネルギー分解能を求めた際の検出効率（面ごと）

MeVeeTTT

MeVeeTTT

ppe

ppe

1026.0196.0

110.0exp00.100.895.000.2

90.0

MeVeeTT

MeVeeTTT

Ce

CCe

1017.0

101.0exp00.1492.3729.0 874.0

粒子が持つエネルギーと発光量の関係

陽子が運動エネルギー Tp[MeV]を持つ時の発光量 [MeVee]

炭素が運動エネルギー TC[MeV]を持つ時の発光量 [MeVee]