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しげじろうわしあし
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1 RPC( ( 高抵抗板検出器 ) の作成とその性能評価山中卓研 006 年 3 月 10 日 B4 加藤舞子佐藤和史四宮新也

2 目的数 mm の位置分解能を実現できる検出器として RPC(Resistive Plate Chamber: 高抵抗板検出器 ) を作成し今後の実験に活かす作成した RPC の動作特性および分解能を測定しその性能を評価する

3 前期実験 :μ: の寿命測定 μ 図のようなセットを組み Cu でμを止める Plastic Scintillator (34 5 1[cm]) Cu plate (1cm) 光電子増倍管 e ν μ ν e μ が止まってから崩壊して e を放出するまでの時間を TDC で測定するこの装置では 50~160Mev の運動量の µ を止めることが出来る

4 これは μ ーが原子核捕獲によって素早く消えてしまったためと考えられる崩粒子の崩壊率は前期実験 : 測定データ dn dt = N 0 τ exp t τ と表せるので Δt あたりの崩壊数 ΔN を時間についてプロットすれば左図のように log スケールでは直線状のグラフを得るはずしかし実際に測定した結果は右図のように傾きの違うつの線が見えた壊数(log scale) 傾きが 1/τ の直線予想図時間崩壊数実際に測定したヒストグラム時間 [μsec]

5 そこで y = P 1 e t P 前期実験 :fitting: + P 3 e t P 4 + P 5 という式で fitting してみるとベント数[個]µ - の寿命が0.1690µsとなったイTDCカウント ( time) χ =/1995=1.114 P 1 =1159 ±8.136 ( µ + の個数 ) P =.19 ± μs( µ + の寿命 ) P 3 =1665 ±87.96 ( µ - の個数 ) P 4 = ± μs( µ - の寿命 ) P 5 =37.8 ± µ + の寿命が.19µs

6 前期実験 : 寿命と数の比文献値との比較 µ の寿命 :.19703± µs (*1) :.19 ±0.01 µs ( 今実験値 ) µ - の Cu 中での寿命 :164.0±.3 ns (*) :163.5±.4 ns (*3) :169.0± 8.0 ns ( 今実験値 ) μ + と μ の数の比 μ + : μ = 1.1~1.4 : 1.0 (*1; P=1~100Gev) μ + : μ = 0.70 : 1.0 ( 今実験値 ; P=50~160Mev) *1: PHYSICS LETTER BOOK *: T.A.Filippas, P.Pabit, R.T.Siegel, and R.E.Welsh, Phys.Lette.6,118 (1963) *3: M.Eckhause, R.T.Siegel, R.E.Welsh and T.A.Filippas, Nucl.Phys.81,575 (1966)

7 RPC 作成の動機そこで μ + と μ ーを分別し前期実験と独立な方法でそれぞれの数を数えようとした θ X X 1 荷電粒子の軌道が磁界中で曲がることを利用すると μ + と μ ーを分けることが出来る上の枚から予想される 3 枚目の到達点 X 1 と実際の信号 X 3 の位置関係から電荷の正負が判別出来る μ μ + この方法で実験するためにはある程度の位置分解能を出せる検出器が必要になる X 1 X 3 Scintillator 層 ( 寿命測定用 ) 今回は比較的構造が簡単で材料が手に入り易い RPC を作ることにした

8 RPC に要求される分解能 σ r 判別に必要な分解能 σ r はどの程度だろうか θ l 1 X 1 X x = x l + l 1 mg l mg l φ X 1 X 3 磁石磁場領域 : cm 磁束密度 : 平均 0.4T 一定と仮定 8cm 1.5cm 磁石 ( )tanθ x 3 = x + r( cosθ cosϕ)+ l tanϕ 10cm (θ,φ: 入射角と出射角 r: 曲率半径 ) 多重散乱による誤差 σ ms を考慮すると (X 3 -X 1 ) の誤差 σ は σ = 1+ l mg+l + l mg+l l 1 l 1 σ r + l mg+l cosθ σ ms 10cm

9 f [cm] 運動量 p 入射角 θ X 3 と X 1 の位置関係を σ で判別する条件 (X 3 ー X 1 ) σ ( この左辺を f とおく ) f の変数は入射角 θ μ の運動量 p RPC の配置位置 l 1,l 分解能 σ r P f のグラフいくつかの θ について p[mev] L 1 =L =30cm -0 度 -10 度 0 度 5 度 10 度 0 度 30 度 p 高 f 滑らかに減少曲がりにくいから p 低 f 急激に変化多重散乱 θ が 0 10 度では f が小さい通過する磁石領域が最短 [cm] p=10mev,θ=0 について見積もればよい σ(total) σ(ms) L/cosθ^ 多重散乱がない場合 p[mev]

10 必要な分解能装置の高さ f=(x 3 -X 1 )-σ=0 の値を l 1,l について次元プロットすると l ( cm) QuickTime and a TIFF (LZW) decompressor are needed to see this picture. σ r =1cm σ r =7.5mm σ r =5mm l 1 ( cm) 装置全体の高さは最小で σ r = 5mm : L total 70cm σ r = 7.5mm : L total 100cm σ r =1cm : L total 10cm 今回は 5mm の分解能に挑戦! 何発のデータが見込めるかシミュレーション

11 Simulation そこで 1. µ は単位面積あたりに一様に降ってくる. 天頂角分布は単位立体角あたり cos θ に比例する 3. µ の運動量は 70~10Mev で運動量分布はこの範囲では一様である以上のことを仮定して得られるデータ数を simulate してみる

12 検出効率(% Simulation ) L 1(cm) L (cm) L 1 =L =30cm で約 % 前期実験では 500 万 s で 30 万 count なので同じ時間測定できれば約 1500count は見込める

13 RPC の構造カーボンシート PET シート ( 絶縁体 ) ピックアップ電極 (Cu) 信号スペーサー +HV -HV Gas 厚さ 6mm 抵抗電極 ( ガラス板 ) RPC とはスパーク ( 放電 ) を利用した Gas Chamber の一種高い電気抵抗率 (10 10 ~10 13 Ωcm) を持つ抵抗電極に数 kv の電圧をかけて荷電粒子が Chamber 内を通過する際に引き起こされるスパークの位置をピックアップ電極で読み出すと粒子の通過位置を決定できる今回作成した RPC の大きさ 40cm 40cm( うち検出領域は 0cm 0cm)

14 動作原理 +HV ー + ー + ー + ーーー HV 1 荷電粒子が通過場所のガスをイオン化する発生した電子が印加電圧によって加速され電子なだれ ( アバランシェ ) を引き起こす 3 なだれの先端の高い電場部分に分子から出る紫外線による光電離で電子が発生さらなる電子なだれ ( ストリーマー ) に成長し放電する 4 近くのピックアップ電極に電流信号が誘起される

15 信号の読み出し ADC へピックアップ電極はストリップ状に配置されておりそれぞれが ADC につながっている放電が起こると近くのピックアップ電極に電荷が誘起されそれを ADC で読み込む複数の電極から信号が出た場合は信号の大きさを重みとして重心をとるストリーマの直径は十分小さい ( 数百 μm) ので位置分解能はストリップ幅によって決まる

16 なぜ高抵抗板高抵抗板なの? RPC の抵抗電極は高い電気抵抗率 (10 10 ~10 13 Ωcm) を必要とするーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー電極の電気抵抗率が高いと放電の起こった場所 ( 数 mm ) の電極表面の電荷が一時的に消滅しその部分の電場も消えるそのためイオンや励起されたガス分子が残っていても連続放電を起こさないまたこの電圧の降下を横に拡げない効果もある今回は入手の手軽さ高い耐久性等の理由でガラス (~10 1 Ωcm) を使用するただしこの電場の回復に 1sec かかるため高レートの測定には向かない

17 ガスの成分今回使用するガスの成分は... アルゴン : 30% イソブタン : 8% フレオン-134a: 6% 各成分の主な働きは次の通りアルゴン : 主な働きをするガス荷電粒子によって電離され電子なだれを引き起こす励起されて紫外線を発光しストリーマを発生させるイソブタン : 紫外線を吸収しストリーマの拡大を抑えるフレオン : 電子を捕獲しストリーマの拡大を抑える

18 出来上がりこうして 3 枚の RPC が完成した材質抵抗電極 :mm 厚ガラススペーサー :mm 厚アクリル板ピックアップ電極 :35μm 厚銅テープ生写真サイズ面積 ( ガラス ):40cm 40cm ( 検出領域 ):0cm 0cm ストリップの数 :40 本ストリップ間隔 :5mm ( 内銅テープ幅 4mm ギャップ 1mm) Gas 層の厚さ :mm

19 実際の信号の形右図 : ストリップ 1 本の信号 ( 抵抗電極間の電圧 10kV) 出てくる信号は大きさが 1V 幅 40nsec 程度電圧 [V] 時間 [n sec] ADC カウントストリップ番号クラスターの幅はストリップ 5 本程度が多かった

20 偽の放電の降ってくる頻度 (0.08Hz/cm ) よりも明らかに多くの信号が見られた RPC の内部では荷電粒子が通過していないときでもランダムに放電が起こって偽の信号を出している RPC は前述の通り放電の起こった場所 ( 数 mm ) は一時的 ( 1 秒 ) に不感領域となるこの偽の放電が多ければ検出効率が下がる恐れがあるそこでこの偽の信号の頻度を測定してみた放電の頻度 [Hz/cm^] a b c すると左図のような結果が得られた抵抗電極間に電圧を 10kV かけたときで 0.3Hz/cm 程度であった電圧 [kv] この程度の頻度であれば不感領域は全検出領域の 1% 程なのでこの偽の放電による検出効率への影響は大きくない

21 動作電圧と検出効率次に検出効率の測定を行った右図のように枚の plastic scintilater を検出領域より少し狭い範囲で重ねて置きその上に RPC を載せて scintilater 枚のコインシデントと RPC を含めた 3 枚のコインシデントの信号数の比をを測定した装置検出効率 [%] 電圧 [kv] a b c 左図は RPC3 枚のプラトー曲線を測定したもの 3 枚ともプラトー領域では 90% 程度の検出効率を持っているこのグラフから RPCを作動させる際の抵抗電極間の電圧として10kVを採用した

22 検出効率を決める要因標準状態のガスが 1cm あたりでイオン化される個数はアルゴン 9.4 個イソブタン 46 個フロン 0 個 *detectors for particle radiation p.15 今回のガスの混合比およびガス層の厚さから 1 つの荷電粒子が通過したときに作られるイオンは平均約.6 個これをポアソン分布だと仮定すると 1 つもイオンが作られないつまりストリーマが形成されない確率は 7.4% であるこれは先程の検出効率の値 (90%) とよく合致している検出効率の改善には電離されるガスの個数を増やすことが鍵 (RPC を実際に使用している Belle 実験では枚重ねて使用することで検出効率を上げている )

23 位置分解能測定原理測定原理分解能を測るには実際に粒子を入射させその入射位置と出てきた信号とを比べればよいがしかし使える荷電粒子の線源は宇宙線ミューオンだけランダムに降ってくるので入射位置が判らないそこで次のような方法を考えた a μ X 1 RPC3 枚を上下に並べ 1 枚目と3 枚目の信号から枚目でのミューオンの通過地点 (x 13 ) を予測し実際に枚目が出した信号 (x ) と比べるのである RPC 間の距離を L 1,L として b L 1 X X 13 X X 13 = X L L 1 + L X 1 L 1 L 1 + L X 3 この式から X ー X 13 を測定した際の誤差 σ は L 各々の分解能を σ a,σ b,σ c とすると c X 3 σ abc = L σ a L 1 + L + ( σ b ) + L 1 σ c L 1 + L

24 分布予想図イベント数位置分解能測定原理測定原理 () σ abc 0 (x -x 13 ) すなわち X ー X 13 を多数回測定しそのヒストグラムを作ればこの σ abc の分散を持つ分布が得られるはずこの測定を RPC の順番を入れ替えて 3 回行えば独立な 3 つの式を得るこれを解けば 3 枚の RPC の分解能 σ a,σ b,σ c が解る σ bac σ abc σ bca = 1 A A 1 A 1 A 1 A 1 A 1 σ a ただし σ b L σ A i = i c L 1 + L ( i =1,)

25 Set up Scintillator(5 10cm) を上下に設置しこの枚でゲート信号を作る L 1 L 分解能の測定には RPC の中央部付近のストリップを 16 本使用した RPC 間の距離の値は以下の通り 1 回目回目 3 回目 L 1 [mm] L [mm]

26 回路図 Scintillator D 80ns RPC RPC RPC Scintillator D Signal Signal Signal GATE(and) 150ns

27 生データイベント数細いピーク部分はうまくフィット出来ているが裾の部分があまりよくない X -X 13 (mm) 何か別の成分が紛れ込んでいる

28 幅の広い成分の原因 # 原因として同時に個の放電が起こった場合があげられる ADCcount 明らかにピークが二つありそれらは約倍の値を示しているそこでこの右のピークをカットすることにした

29 10 3 解析すると下図のように大幅に幅の広い成分をカットすることができたパラメータの変化は以下の通りである σ mm mm χ ただしイベント数も 055 から 1059 と大幅に減少してしまった

30 回目 3 回目解析同様に残りの回の測定にもカットをかける σ abc = 0.614±0.015mm σ bac =0.468±0.01 mm σ bca =0.539±0.01mm この結果を先程の式 σ bac σ abc σ bca = 1 A A 1 A 1 A 1 A 1 A 1 に用いて解くと σ a =0.56±0.0mm σ b =0.31±0.04mm σ c =0.44±0.0mm σ a σ b σ c

31 結論電圧特性は 9.5kV 付近でプラトー領域となったよって使用の際の電圧は 10kV に決定した検出効率は 90% 程度であった荷電粒子が通過した際ガスが電離されるか否かが要因分解能は σ a =0.56±0.0mm σ b =0.31±0.04mm σ c =0.44±0.0mm 位置の揺らぎの分布は予想された Gaussian と裾をこのうち幅の広い成分は同時に発の放電が起こったものと推定され適切なカットにより取り除くことができたが使えるデータ数も減ってしまった

32 検出効率(%)Simulation 今回時間の都合上当初予定していたミューオンの電荷を判別し寿命を測定する実験はできなかった作成した RPC を用いてこの実験を行っていた場合についてシミュレーションしてみよう L 1(cm) L (cm)

33 今後の改善点 DoubleGaussian の幅の広い成分はカットによって除去できるが使えるデータ数も減ってしまうよってその原因と考えられる放電が発同時に起こる事象を減らす工夫が必要である 1 電圧の値を適性にする今回の測定では 3 枚の RPC に一律に 10kV の高めの電圧をかけていた 3 枚個別にプラトー領域にギリギリ入る程度の電圧をかけることで必要以上のストリーマーの拡大を防げるのではないかガスの混合比を考える紫外線を吸収しストリーマを抑える効果があるイソブタンの割合を増やせば無駄な放電を抑えられると考えられるしかしイソブタンは可燃性のガスなのでこれ以上濃度を高くすると発火の可能性があるなのでガスの混合比を変えることはできない

34 おいしい RPC の作り方 ( 仮 )

１

演習 :3. 気体の絶縁破壊 (16.11.17) ( レポート課題 3 の解答例 ) ( 問題 3-4) タウンゼントは平行平板電極間に直流電圧を印加し, 陰極に紫外線を照射して電流 I とギャップ長 d の関係を調べ, 直線領域 I と直線から外れる領域 II( 図 ) を見出し, 破壊前前駆電流を理論的に導出した以下の問いに答えよ (1) 領域 I における電流 I が I I expd