平成１５年度課題研究 P ６希ガスシンチレータ班

平成１５年度課題研究P６希ガスシンチレータ班平成１５年度課題研究P６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

１．動機 μ-PICを用いたTPCのトリガーが欲しい • 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+3HQ=764keV • MeV γ 100～数100keV • ダークマター検出器 10～数10keV →検出の簡単な①の研究 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 21cm 反射材 / 黒画用紙 9cm PMT マントル

2-1.α線源　　　　　トリウム系列 (単位はMeV) ・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

2-2.PMT 透過型光電面分光感度特性量子効率 20% • 浜松フォトニクス社製 • Ｈ３６９５ｰ１９ • 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光電面放射感度 (mA/W) 9.5cm 波長(nm) 320

2-3. 測定環境 HV -1400V -1500V オシロスコープ

信号が見えました 6ns • 二本のPMT（HV-1400V，-1500V）から同時の信号 • PMTからのシグナル高速 5ns10～200mV ⇒何かが光っている。 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 6 ns 20 mV • ＬM７１７１高速オペアンプ (スルーレート4100 V/μs) • Charge Sensitive型 Charge 130倍 50 mV 300 ns

400mV 3V 100ns 2-4-2.QDCV792 • 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

28-pin 23-pin 352.7channel 230.5channel

23-pin Q=0.45x+88.6 Q=0.29x+44.7 28-pin 160ch以下 Q=0.37x+28.7 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 40ch 40ch PMT A PMT B (40±5)ch→(44±2)pC 1.6×10-7pC×PMTGAIN×AMPGAIN=(44±2)pC AMPGAIN=130±10 ⇒PMTGAIN=1.9×106~2.4×106 光もれではありません

PMT A PMT B ３．スペクトル測定 Kr＋マントル＋黒画用紙

1.3倍 Kr + マントル +反射材約1.3倍の集光率

μ αβγ MIP βγ αβγ 宇宙線ミューオンが1cm走ると約5keV落とす 3-1.マントルのα線以外の成分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？ Kr

3-2.マントルのα線のみをとりだすには？ αβγ • 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 μ βγ ゴミ袋4枚（100μm）でマントルのα線のみが遮蔽される αβγ Kr

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

N・G・e・Att. [pC] QDCのchannel QDCchannel値と Chargeの関係 G: GPMT × GAMP e: 素電荷逆算するとch→p.e.の変換が可能 3-4. QDCのchannel　　　　　　　　　→photo-electron数 N p.e.

3-4. QDCのchannel　　　　　　　　　→photo-electron数

3-5. KrとXe 10.5 Hz 14.8 Hz Xeの方がよく光っている。

②Braggcurve (ｂｙ　SRIM) ４．シミュレーション Kr Xe • 測定環境のモデル化 • 発光量　（bragg curve） • 立体角 • マントル内部構造 ①測定環境のモデル化容器の壁面での反射はない

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８０μｍ • 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 Krの場合（量子効率0.2±0.04） N×(0.26±0.05) ×(0.2±0.04) =（22±4.4 ）１MeVあたり400±150個の光子が生成 0. 26±0.05 3800±1900events cts/2000s (107×600÷3800) ÷2000=800 800±660個のα線が毎秒放出 22±4.4 p.e 600±400events Xeの場合１MeVあたり1100±400個の光子生成6000±5400個のα線が毎秒放出 p.e

p.e

５　結果 5-1. 中性子検出器のトリガー • n+3He→p+3H764keV • 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　　⇒Kr400±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　

5-2 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⇒ Kr800±660HzXe6000±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%

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