反跳電子計測のためのAPD,プラスチックシンチレータ

を用いた実験

P6 γ班土屋優悟増田　 周水谷宗隆

実験目的MeV領域ガンマ線観測による宇宙未解決問題の解明･超新星残骸での元素合成 → 不安定な同位体からの崩壊 MeVガンマ線 元素合成の過程の解明･ 宇宙線起源の問題

⇒MeV領域のガンマ線からは重要な情報が 得られるため、感度の良い検出器の開発が 強く望まれている。

ガンマ線を作る加速粒子が電子か、陽子かを識別ガンマ線が π0中間子起源の場合、必ず約 70MeVにピークを持つスペクトル→ 陽子起源のガンマ線と確認できる。

陽子由来の γ

電子由来の γ

GeV

実際の観測

コンプトンガンマ線観測衛星CGRO / COMPTEL0.8MeV～ 30MeV

フェルミガンマ線宇宙望遠鏡FERMI / LAT

20MeV～ 300GeV

コンプトン法を使った検出方法

・散乱の起こる位置・反跳電子のエネルギー・散乱ガンマ線の位置とエネルギーを測定できる。

＜問題点＞ガンマ線の到来方向に関して円周を決定することはできるが

電子の反跳方向に関する情報は失われているため1光子に対してそれ以上の到来方向を知ることは不可能！

電子飛跡検出型コンプトンカメラElectron Tracking Compton Camera（ ETCC）

散乱電子の方向とエネルギー → Micro-TPC (ガス検出器 )

反跳ガンマ線の位置とエネルギー → シンチレータ位置検出器

⇒入射ガンマ線のエネルギーと 到来方向も決定できる

e －

(10cm角 TPCで )100keV以上のエネルギーを持つ反跳電子はTPC外へ

e －

TPC

APD

’散乱ガンマ線→無機シンチレータ (GSO)

シンチレータ光の読み出し→APD(Avalanche Photodiode)

反跳電子を TPC内部のプラスチックシンチレータで吸収

High Energy mode ETCC

High Energy Mode

High Energy Mode

30cm cubic TPC

増倍領域

逆

実際の APD

10mm×10mm

15.5cm

型番：浜松フォトニクス (S8664-1010)倍増率： 50

10cm

PHADCの電圧校正FunctionGeneratorからピーク電圧の決まった波形を入力し、それに対する ADC値を調べ、

校正曲線を作った。 (0.2789mV/ADC)

電圧

ＡＤＣ

3

2

1

ブロックシーケンスAPD PreAMP

VIAS supply

Shaper PHADC VME(PC)

Discriminator

Li F/F

Lo F/F

Gate Generator

RPV130

UNI INPUT 0INPUTGATE

IN

OUTVETO

OUT OUT

INFIN1

OUT 1

STOP START START5.7μs

400V

0.5μs

OUTOUT

Gate信号Veto信号

約 1ms,1pF

電荷有感型

TIMING CHART

Gate

RPV Stop

5.7μs

Discri

Veto 140μsec

threshold

0

0

0

0

1

1μs程度

1

1

1

オシロで見た実際の波形APDからの信号Gate 信号Veto 信号Gate 信号Veto 信号

２４１ 　Ａｍ　ｔｈ９０ｍＶ

Ｇａｉｎ１．０ ×１００350mV

140μsec

S/Nの改善

241Am(59.5keV)、 109Cd(88.0keV)のピークは見えたが、133Ba(31keV)、 139Ce(33.4keV)、 57Co(14.4keV)の低エネルギー帯のピークはノイズに埋もれて見えなかった。

S/Nの改善

その時点でのノイズは 40mV(p-p)だった。そこでそれらを見るためにさらにノイズを落とすことにした。

　ノイズ落としAPDのグラウンドの強化 APDを入れた遮蔽箱を開け、中の接地面積を 増やしてグラウンドを取り直した。

←ノイズ落とし前内部

↑ノイズ落とし前裏面

ノイズ落とし

↑ノイズ落とし後内部

シールド線を入れてグラウンドの接地面積を増やした

ノイズ落とし導線の接続のはんだ付け金属網での端子付近と同線の固定

ノイズ落とし

グラウンドの強化によるノイズ落としをしたところ、ノイズが 20mV(p-p)まで落ちた。

再び測定するも 30keV代のピークは見えなかった。

133Ba

バックグラウンド th20mV GAIN10

ノイズ落とし前C

ount

s/se

c

V

バックグラウンド th10mV GAIN10ノイズ落とし後

Cou

nts/

sec

V

エネルギー校正

241Amと 109Cdのピークは取れたので、二つのピークと、線源を用いずに測定した ADCの

0voltの値を用いてキャリブレーションを行った。

241Amと 109Cdの測定結果Gain 0.5×20Threshold 20mV

Gain 0.5×20Threshold 20mV

Am

Cd

Cou

nts/

sec

Cou

nts/

sec

ADC ADC

ADC

650

550

Cou

nts/

sec

ADC

Cou

nts/

sec

2300

Gain 1.0×100

Gain 1.0×100

3300

キャリブレーション求められた校正曲線

Gain0.5×20

keV

ADC

キャリブレーション求められた校正曲線

Gain1.0×100

keV

ADC

キャリブレーション241Am(counts/sec-keV)グラフ

Cou

nts/

sec

keV

キャリブレーション109Cd(counts/sec-keV)グラフ

Cou

nts/

sec

keV

デッドタイムデッドタイム 241Am(th20mV,Gain10)の測定時に 140μsec/countのデッドタイムが かかっていた。Count数 :100000countAmの TotalDeadtime/realtime = 14sec/30min

≒ 0.7%Amの測定においては

realtime≃livetime

エネルギー分解能エネルギー分解能 =ΔE/E=FWHM/PEAK

(FWHM=半値全幅 )

・ Gain0.5×20の時

241Am(55.9keV):25.6±2.1 %

109Cd(88.0keV) :23.1±4.2 %

・ Gain1.0×100の時

241Am(55.9keV):24.8±2.4 %

109Cd(88.0keV) :22.1±2.3 %

エネルギー分解能エネルギー分解能グラフ

分解能の考察

分解能の理論値＝

F(fano-factor: 0.12)SiのW値＝ 3.76(eV) とすると

59.5keV:0.275%88.0keV:0.226%

測定結果

Am(55.9keV):25.6±2.1%, Cd(88.0keV) :23±4 %

に比べ、大幅に分解能が悪い結果になった。

EFW

EE

⊿

昨年のガンマ班の pptによると、昨年の測定では59.5keV： 52.6±6.9 ％ 88.0keV： 48.1±16.0%

ステータス１０ cm×1.5cm×1.5cm

透明 /ファイバー無し側面白塗装 /ファイバー有り全面白塗装 /ファイバー有り

プラスチックシンチレータAPDの光電面に光学グリスを塗り、プラスチックシンチレータと接触させた

10cm

1.5cm×1.5cm

テフロンテープ＋遮光用黒ビニールテープ

プラスチックシンチレータ

実験装置の概観図

プラスチックシンチレータ

鉛板を乗せた状態

l=3cm

h=5cm

セットアップ概要図

プラスチックシンチレータ

APD

source

鉛板

source

source

遮蔽箱

h=2.5cm

ヒストグラム90Sr,60Coを用いて測定を行い、ヒストグラムを作成した。BGと比べて Sr,Coでの count rateが明らかに変わった。

ヒストグラムBG th160mV GAIN100

Cou

nts/

sec

ADC

ヒストグラムSr th160mV GAIN100

ADC

Cou

nts/

sec

ヒストグラムCo th160mV GAIN100

Cou

nts/

sec

ADC

ヒストグラム線源の位置による変化

Cou

nts/

sec

keV

デッドタイムデッドタイムCount数 :100000count

Srの TotalDeadtime/realtime = 14sec/20sec

≒ 70%

realtime ≠ livetime

まとめ• APDを使って Am等の線源を観測し、スペクトルを得た。• ある程度ノイズを除くことができたが、 109Cd,139Ceなど の低エネルギー帯のピークを観測することはできなかっ た。• 241Am,109Cdのピークを元にキャリブレーションを行い、 エネルギー分解能を求めた。 Gain1.0×100 241Am(55.9keV):24.8±2.4 %

109Cd(88.0keV) :22.1±2.3 %• さらなる分解能の改善が必要。• プラスチックシンチレーターの接続や遮光をした。• プラスチックシンチレータを APDにつなぎ、 Srなど のベータ線源を観測した。位置に依存する適当な変化 が見られた。

今後の展望

• ノイズの原因究明 Shaper以前の ADCもしくは PreAmpでのノイズを落とす• プラスチックシンチレーターの比較 他の種類のプラシンでも計測をし性能を比較してみる プラシンの分解能を調べる。