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なおちかなかじゅく
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1 理研の PPAC ( 動作原理と性能 ) 熊谷秀和理研 Big-RIPS For meeting at RIBF 008/3/17 1

2 話の内容 1.PPAC (Parallel Plate Avalanche Counter) の特徴と動作原理.Townsend 第一係数の測定 3. エネルギー損失の分布関数計算値と実測データの比較 4.Delay Line 位置読出しPPACの特性 5.δ 線の影響除去方法

3 重イオン検出器としての PPAC の特徴 1. 透過型の位置検出器としては最もエネルギー損失が少ない (1.3mg/cm ~ 4.5mg/cm ). ガスカウンターであるから放射線損傷が少ない 3. 出力信号の立上り立下りが速く (3~6ns) 高時間分解能 (FWHM=0.1~1ns) 高計数率(~10 6 cps) の計測が可能である 4. 構造が簡単で作り易くメンテナンスが容易である 5. 欠点は出力が小さく高エネルギー軽イオン (H,He,Liなど) の測定が困難である 3

4 PPAC の動作原理薄い二枚の平行電極を3~4mmの間隔おいて向い合せ3~50Torrの C 4 H 10 C 3 F 8 などのガス中に置き数 100V/mmの電圧を印加しておくと重イオン入射などにより電離電子が出来ると直ちにアバランシェが発生するその発生に時間の遅れはなく電子の移動速度も大きいため立上がり立下りが数 nsの鋭く時間特性の良い信号が得られる故藤田雄三氏の資料から引用 4

5 Townsend 型のアバランシェ条件 ( 電子数の増加率は電子数に比例する ) z Va アノー dn = dz αn (z=0 N=N 0 ) Townsend 型電子雪崩の式 D N = N0exp( αz) N 0 0 カソー α N 0 : 一次電子数 α : Townsend 第一係数 = pa exp( pb ) V / D a A B ガス固有の定数 p 圧力 5

6 PPAC のアバランシェガスが薄いため粒子速度が変わらず1 次電子分布は一様になる N D = ρ exp( αz)dz 0 = N0 αd {exp(αd) 1} exp( αd) 1 N = N0 exp( αd) αd 電極間に発生した一次電子の 1/αDがカソード面からスタートしたのと等価である D=4mm α 3であるから 1/αD=0.08 となり全一次電子の 8% しか利用できず全てが利用できる同心円形比例計数管に比べて感度が悪い 6

7 一次電子の発生位置とガス増幅率一次電子発生位置とガス増幅率の関係 ( カソード面で発生した場合を基準にする ) 電極間隔 =4mm : Townsend 係数 =3 & 3.5 α=3 α=3.5 電子がカソードからスタートした時の増幅率 α=3 D=4mm G = exp(3 4) R 規格化したガス増幅率 mm 以上はなれた場所の1 次電子は出力にほと 0. んど寄与していない Cathode Anode 一次電子発生位置 (mm) k-grp G Gain3-3.5 α=3.5 D=4mm G = exp(3.5 4) 電子のスタート位置と増幅率比 N0exp{ α(d z)} R = N exp( αd) 0 7

8 PPAC ガス特性ガスの種類と圧力 C 4 H 10 p= 4~100Torr C 8 H 18 p= 4~1Torr C 4 F 8 p = 10~50Torr α 線源 41 Am 実用線源 (E = 4.17MeV) 10 8 Va-N( 出力電子数 ) 実測データ Gas:C 3 F 8, D=4mm 10Torr 0Torr 30Torr N (electrons) Va(V) k-grp Va-Ne c3f8 8

9 Townsend 係数の計算 10 8 Fitting の実例 Gas:C 3 F 8, P=10Torr, D=4mm ( N 0 =1190, A=1.40, B=35.1 ) PPAC の出力電子数 N N N exp( αd) αd = 0 N (electrons) Townsend 係数 α はガス圧 p 電場 Va/D と pdb α = paexp( ) V a の関係がありこれを上式に代入し N = N0 pdb }exp{pda exp( )} pdb V pda exp( ) a V a 得られた式を実測値に Fitting させパラメータ A B を求める Va(V) k-grp Va-Ne 10 fitt c3f8 9

10 Townsend 係数の測定値 Va-Townsend 係数 ( 計算値 ) 4 Gas:C 3 F 8,D=4mm Torr 0Torr 実測データとの Fitting により求めた A, B の値を下表に示す (Fitting 誤差は A B とも約 1%) Townsend 係数 (mm -1 ) Torr Gas :C 3 F 8, D = 4 mm, He( 4.17 MeV) W 値 =34.4eV P(Torr) N 0 (electrons) A(Torr -1 mm -1 ) B(V Torr -1 mm -1 ) Va(V) k-grp c3f8 Va-Townsend13 10

11 エネルギー損失の分布関数エネルギー損失の分布については Landau Symon Vavilovなどにより研究されているそれはVavilov 分布関数 F (λ,κ,β ) で表され κ<0.01でほぼ Landau 分布となり κ>1でほぼ Gauss 分布となる Vavilov 分布 (β=0) F(λ,κ,β) k=0.01 k=0.04 k=0.07 k=0.1 k=0.4 k=0.7 k=1.0 k=4.0 k=7.0 k=10.0 関数 F (λ,κ,β ) が具体的にどうなるか数値表 ( 放射線共立出版 p.637 ) を利用してβ= 0 の場合をグラフにしてみたグラフの形はβにあまり影響されないので 10-3 β= 0 の場合を採用した λ k-grp Vavilov(β=0) 11

12 電極間に於けるエネルギー損失小林さんの教材から引用 PPACガスは十分に薄く重イオンの速度変化を無視できるから阻止能は一定とみなせる平均エネルギー損失 E m は阻止能の式 ( ベーテブロッホの式 ) γ β de Z z m ec = 4πN r m c ln β A e e dx A β I δ ρ E E m m = de dx ave m = ξ ln D e c I γ β β δ (MeV) パラメータ ξ ξ = πz 4 e N A e c m β Zρ D A z Z = ρd β (MeV) A I : 平均励起ポテンシャル I = exp( fkln(i 分子のI 物質 I ( ev ) Z ρ(mg/cm 3 ) k k )) H C F (ξはエネルギー損失の分布を求める際に必要となる) C 4 H 10 C 3 F

13 13 κ λ の計算 Vavilov 分布のパラメータ κ は次のようになる T max : 入射粒子が電子に与えることが出来る最大エネルギー κ = ξ / T max ρd β z A Z γ = Landau パラメータ λ は C= Euler 定数で表される 4 β γ β ρ π = κ c m / A c m D Z N e z e e A e max β γ c m T κ + β = ln C ξ E E λ m 1

14 GSI 実験時のパラメータ計算 Landau パラメータ λ は E= (λ+1+β -C+ln κ)ξ+ E m とできるからこれを使うとエネルギー損失 E の分布関数を求めることができる 1999 年 8 月にGSIで取ったデータに当てはめてみるガス : C3F8 p = 30 Torr D = 4 mm 有効領域 Da=D/(αD) 0.31~0.8 mm Κ はいずれの場合も 0.01 より小さくなり E の分布は Landau 分布となる W 値 =34.4eV 粒子 Va(V) α(mm -1 ) β T max (kev) ξ(kev) κ E m (kev) N 0 (elec.) 1 C (95 AMeV) E E C (174 AMeV) E-0.E C (335 AMeV) E-0 6.3E B (54 AMeV) E-0 6.5E

15 計算値と実験データの比較 GSI 実験 PPAC のエネルギー損失 ( 分布計算値 ) GSI 実験の QDC( 電荷 ) スペクトル 1 30Torr, Da= mm, κ<0.001(landau 分布 ) 10 4 Gas C3F8, p=30 Torr,Va は粒子に応じて調整 F( E,κ,β) C(95AMeV) C(174AMeV) C(335AMeV) B(54AMeV) 測定結果とは会わない N (counts/ch) C(95AMeV) C(174AMeV) C(335AMeV) B(54AMeV) 出力が大きい領域では放電が起き易い E(keV) k-grp PPAC F Q-Out(ch) k-grp GSI PPAC Q-spec log 15

16 PPAC の電荷出力波形 16

17 PPAC の出力が小さい原因 1. ガス増幅率が一次電子の発生位置により大きく異なるため電極間に発生した一次電子のうち有効に利用できるのは8% 程度と少ない. 軽い高速イオンに対してはエネルギー損失の分布がLandau 分布となり大きなエネルギー損失の部分で放電が起きるため十分なバイアス電圧をかけらず大きなガス増幅率得られない 3. アノード付近に残留する陽イオンが電子を電極上にブロックするため高速パルスとして取り出せる電荷量は全電荷の9% に過ぎない ( ただし電荷分割型位置検出法を用いた場合は全て利用できる ) 17

18 感度を上げるために採った対策内部雑音の少ない高速プリアンプを作る電源やターボポンプなどからの外部雑音を少なくするためプリアンプを PPAC 筐体に密着させる Big-RIPSにおいては高速のアナログ光送受信機を開発し光ファイバーをとうして信号を送り雑音の混入を防ぐアノードの結合コンデンサーを小さく負荷抵抗を大きくして放電を早急に止める電極をアルミを蒸着により作り放電によりできる瑕を小さくする 18

19 PPAC の位置検出方法 PPACで位置測定を測定するには Alをストライプ状に蒸着したカソード電極を作りそのストライプに抵抗アレイ ( 電荷分割型 ) や多端子ディレーライン ( ディレーライン読出し型 ) を接続したものを使う電荷分割型の特徴イオン信号を使うため全電荷を利用できしかも優れたフィルター増幅器を利用できるため感度が良い信号の時定数が長いため計数率が数 kcps 程度と低いディレイライン読出し型の特徴電子からの信号を使うため時定数が短く数 Mcpsの高速計測に対応できる δ 線やマルチヒットの影響を除去できる全電荷量の9% しか利用できず信号が小さいため感度が悪い 19

ディレーライン読出し型 PPAC 自作の Delay Line RIPS 及び Big-RIPS で使用している PPAC は全てディレーライン読出し型である Delay Line PPAC の種類 100 100mm (RIPS 用 ) 150 100mm (RIPS 用 )

20 ディレーライン読出し型 PPAC 自作の Delay Line RIPS 及び Big-RIPS で使用している PPAC は全てディレーライン読出し型である Delay Line PPAC の種類 mm (RIPS 用 ) mm (RIPS 用 ) mm (Big-RIPS 用 ) mm (Big-RIPS 用 ) Big-RIPS 用は検出効率をあげるため Double PPACとしている距離 / 時間係数 1.5 mm/ns (0.8 ns/mm) 位置分解能 σ=0.15 ~ 0.6 mm 0

21 Delay Line(DL と略記する ) の製作理研の DL- PPAC は大変優れた性能を持っているがそれは自作した DL の性能によるところが大きいそこで DL の設計方針性能について説明する市販 DLを使用しない理由中間端子数が0 以下と少なく端子間のDelay Time のばらつきが ±0% もある複数のDLを繋げると接続部分で一様性が悪くなる設計の目安 Delay Time のステップ : 約 ns (PPAC 信号 Rise Time の半分 ) カソードストライプのピッチ : 約 mm ( カソードに誘導される電荷がピークの半分になる距離 ) DLの中間端子の間隔 : 約 mm ( ストライプのピッチと同じ ) 特性インピーダンス : Z 0 =50Ω 1

22 LC 集中定数型 DL のパラメータ Delay Time : t d t d = 1.0n LC 特性インピーダンス : Z 0 直線性が最良となる結合係数 : K Z 0 = 引用文献 J.Miiman and H.Taub, pulse and Dijital Circuits (McGRAW-HILL BOOK Co. New York,1956) L C M K = L 0.34

23 製作した DL のパラメータ入手できる材料 ( コイル芯ポリウレタン被覆銅線チップコンデンサー ) に制約があり完全に条件を満たす物は出来なかったほぼ満足な性能の DL を製作できたコイルは直径が mm のベークライト棒に線径 0.3mm のポリウレタン線を巻き 8 巻き毎に 0.mm 径のリード線をハンダ付けして作った L=0.09μH ( 計算値 ) K=0.87 ( 計算値 ) C=39pF Z0=53Ω ( 実測値 ) t d =.04ns 40step=81.6ns ( 実測値 ) DLの長さ=100mm ストライプのピッチ=.55mm 3

24 等価回路と位置計算式 0.8ns/mm Tx1 Tx 位置計算式 X=K*(Tx1-b*Tx)/ + X-off Tx1 (ch), Tx (ch) : TDC のデータ b : TDC スケールの補正値 K (mm/ch) : 位置係数 X-off (mm) : Offset 補正値 σx=1.8mm σt=1.4ns Cathode Strip のピッチ =.55mm Cathode Strip のσ=0.74mm T-sumパラメータ (δ 線やマルチヒットの影響を除くために利用する ) T-sum Tx1+b*Tx 4

25 位置スペクトル X150mm PPAC の感度一様性 5000 較正用マスク付きスペクトルスリット ( 間隔 =5mm 幅 =0.5mm) σ=0.5mm N(counts/0.4mm) N(counts/0.06mm) X(mm) k-grp 5-PPAC unifo X(mm) k-grp マスク付き spec 5

26 粒子の入射位置と出力波形電荷分布 σx=1.80mm PPAC 信号 σt=.13ns カソード出力波形 ( 計算 ) カソード出力波形 ( 計算 ) 100 td=.04ns/step SUM Strip の中心に入射 100 td=.04ns/step SUM Strip の隙間に入射 80 peak=99.8 σ=.57ns 80 peak=99.6 σ=.58ns 0 Qn/Qo(%) Qn/Qo(%) T(ns) k-grp 波形 T(ns) k-grp 波形.55-0,5 6

27 T-sum スペクトル 1 C(174AMeV) の T-sum スペクトル 13 Xe(400AMeV) の T-sum スペクトル N(counts/ch) 100 N (counts/ch) 100 δray=8.4% δray=4.% 100ps/ch T(ch) k-grp C174 Ty-sum 100ps/ch T-sum (ch) k-grp Xe400Tsum840 7

28 T-sum Gate の効果 1999/8/16 GSI で測定した 1 C(174AMeV) のビームスポット T-sum Gate なし T-sum Gate 付き 8

29 Double PPAC の T-sum スペクトル Double PPAC で測定した X 軸 T-sum スペクトルの次元表示 13 Xe(400AMeV) A 面 X 軸の T-sum (B 面に δray なし ) A 面 B 面共に δray なし B 面 X 軸の T-sum (A 面に δray なし ) A 面 B 面同時に δray が発生したマルチヒットのライン 9

30 40mm DL の減衰特性 PPAC に 5mm ピッチの位置較正用マスクを取り付けて観測したカソード出力波形 ( トリガーは高速 SCA(Single Channel Analyzer) により選別したアノード信号を使った ) T (10ns/div) 出力端から遠くなるほど波形が鈍り波高値が小さくなる ( 波高値は 3mm で /3 に下がっている ) 30

31 理研 DL-PPAC の特徴 Delay Line は一本のソレノイドコイルにリード線を付けて自作したため継ぎ目がなく Delay Time の均一なものが出来た Cathode Strip のピッチ (.55mm) と区間当りのDelay Time(.04ns) のマッチング良いためDelay Lineの出力波形に乱れがなく感度の一様性が良い積分誤差が ±13.5mmで 0.mm 以下の位置検出が可能となった T-sum スペクトルを利用することにより δ 線やマルチヒットによるエラーを除去できる一つのケースにセットのPPACをいれたDouble PPACを使うことのよりδ 線によるデータ損失を一桁以上減らすことができたマルチヒットによるデータ損失は3-Stop TDSを使うことにより大幅に低減できる有感面積は最大 mm まで可能である 31

32 3

大面積Micro Pixel Chamberの開発 9

大面積Micro Pixel Chamberの開発 9 Introduction µ-pic と電場構造ガス増幅 Simulation 信号波形の再現まとめと今後京都大学宇宙線研究室髙田淳史 2 次元ガスイメージング検出器プリント基板技術で製作ピクセル間隔 :4 μm 個々のピクセルでガス増幅大面積 : cm 2 and 3 3 cm 2 大きな増幅率 :max ~15 高い位置分解能 :RMS ~12 μm 均一な応答 :RMS ~5% ( cm