GEM を用いた検出器の開発 千葉研究室修士 2 年 杉山史憲
発表の流れ 研究目的 GEMを用いた中性子画像検出器の原理 基本特性 ビームテスト 今後の実験
研究目的 1. 中性子検出の必要性 2. 中性子捕獲 3. 現在の中性子検出器
中性子検出の必要性 中性子の特徴 - スピンが 1/2 - 電荷がゼロ X 線で見た構造 中性子で見た構造 構造解析 窒素 炭素 酸素 水素たんぱく質 ( ミオグロビン ) の構造
中性子検出の必要性 中性子の波動性を用いた構造解析 -TOF 法を用いる弾性散乱の実験 位置情報に加えて時間情報も必要 位置と時間に対し高い分解能を持つ検出器が求められている
中性子捕獲 Li + α + 7 4 10 1 3 2 5B+ 0n 7 4 3Li 2 6 1 3 4 3 0 1 2 3 1 3 1 2 0 1 1 + α + 2.792MeV 2.310MeV Li + n H + α + 4.78MeV He+ n H + p+ 0.765MeV 3840b 940b 5330b 3 He カウンター
現在の中性子検出器 ~ 3 He カウンター ~ 特徴 - 高価な 3 Heガスを使用 - 封じきり - 検出効率 50%~100% -γ 線に対して低感度 問題点 - 高価であり 材料に制約がある - 位置分解能は良くない 5mm~1cm 程度 - 高いレートに耐えられない
GEM を用いた 中性子画像検出器の原理 1.GEM の原理 2.GEM を用いた中性子検出の原理 3. チェンバー内構造
GEM の原理 GEM(Gas Electron Multiplier) とは? - 粒子の位置や時間を測定する検出器 - 右の写真が実際に実験で使用しているGEMフォイル - この GEM フォイルをガスを 充填させたチェンバー内に組み込んで実験する 10cm 10cm
GEM の原理 原理 -GEM フォイルの上側と下側に 異なる電位をかけることで 電場を発生させる 140 μm 5 μm 50 μm 5 μm Polyimide Cu
GEM の原理 原理 -GEM フォイルの上側と下側に 異なる電位をかけることで 電場を発生させる -チェンバー内に入ってきた粒子とガス分子が衝突してイオン化 - 電場に沿って電子が移動し穴の部分でガス増幅
GEMを用いた中性子検出器の原理 GEM に 10 B を蒸着させる Li + α + 7 4 10 1 3 2 5B+ 0n 7 4 3Li 2 + α + 2.792MeV 2.310MeV 6% 94% 7 7 3Li 3Li + 0.48 MeV ( γ ) 4 He or 7 Li 熱中性子 10 B Polyimide 4 He or 7 Li
GEM を用いた中性子検出器の 原理 GEM に 10 B を蒸着させる - 中性子と 10 B が反応して α 粒子を生成 -α 粒子とチェンバー内のガス分子が衝突して電子を生成 - 電子が電場に沿って ドリフト - 電子が読み出し基盤で 読み出される 4 He or 7 Li 10 B 熱中性子 Polyimide 4 He or 7 Li
チェンバー内構造 電子変換部 GEM1-B GEM2-B GEM3-Cu 電子増幅部 ( 実際は8 枚 ) n Ar-CO2 gas α 1 mm 1 mm 1 mm 2mm 読み出し基盤 利点 セットアップ例 高価なE 3 D He =1.5kV/cm ガスが D いらない ΔV ΔV GEM =233V(B-GEM) GEM 高い位置分解能 E T =1.5kV/cm(B-GEM 間 ) 時間分解能が得られる ΔV GEM =520V(100μGEM) γ 線に対して低感度 E I =6.5kV/cm E T =1.5kV/cm(B-GEM 間 ) ΔV GEM =520V(100μGEM) E I =6.5kV/cm
基本特性 1. 中性子検出 2.γ 線に対する感度チェック 3. 二次元画像
中性子検出 252 Cf (<En>=2.14MeV) Water 10meV Energy (ev) 1MeV Test chamber 減速材
中性子検出 252 Cf (<En>=2.14MeV) 減速材 Water Test chamber Counting rate in 100sec 1000 800 10meV 600 400 200 0 Pad Foil Energy (ev) 1Me V 0 2 4 6 8 10 Water depth(cm)
中性子検出 The number of the counts 25000 20000 15000 10000 5000 GEM に蒸着させる 10 B の厚みを変化させて計測 1.2μm 2.1μm 2.4μm 上側 :1.2μm 下側 :1.2μm 上側 :1.2μm 下側 :0.9μm 上側 :0.6μm 下側 :0.6μm 上側 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Thickness of Boron in one GEM(μm) 下側
中性子検出 10 B を蒸着させた GEM の枚数を変えて測定 100000 90000 80000 10 B : 0.6μm+0.6μm The number of the counts 70000 60000 50000 40000 30000 F 20000 10000 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 The number of the Boron-GEM
γ 線に対する感度チェック Neutron (2.2A ) 5000 γ 線のデータ収集の閾値 500 4500 450 4000 Co-60 400 100nsec The number of the counts of Co 3500 3000 2500 2000 1500 中性子のデータ収集の閾値 Neutron 350 300 250 200 150 The number of the counts of neutron 1000 100 200mV/div 500 50 0 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 The value of ADC
二次元画像 83.2mm X-Y ストリップ 1.6mm 間隔ストリップの数 52 52 有感エリア 83.2mmx83.2mm 83.2mm
二次元画像 0.8mm 読み出し S77 S73 ピッチでの画像 S69 S65 S61 9-12 6-9 3-6 0-3 S57 S53 S49 S45 S41 S37 S33 S29 S25 S21 S17 S13 S9 S5 1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76S1
ビームテスト 1.MUSASI( 原研 JRR3 ガイドホール ) - 協力原研鈴木 奥 2.NOP( 原研 JRR3 ガイドホール ) - 協力原研鈴木 奥 篠原 3.MINE( 原研 JRR3 ガイドホール ) - 協力京大日野 林田 4.KENS(KEK) - 協力 KEK 佐藤 猪野 鹿内 神山
ビームテスト 1.MUSASI( 原研 JRR3 ガイドホール ) - 協力原研鈴木 奥 2.NOP( 原研 JRR3 ガイドホール ) - 協力原研鈴木 奥 篠原 3.MINE( 原研 JRR3 ガイドホール ) - 協力京大日野 林田 4.KENS(KEK) - 協力 KEK 佐藤 猪野 鹿内 神山
MUSASI MUSASI のビーム形状 1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 S1 S7 S13 S19 S25 S31 S37 S43 S49 160-180 140-160 120-140 100-120 80-100 60-80 40-60 20-40 0-20 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52S1 S4 S7 S10 S13 S16 S19 S22 S25 S28 S31 S34 S37 S40 S43 S46 S49 S52 150-200 100-150 50-100 0-50
MUSASI 位置分解能 with 0.5mm φ pin hole 2D Log scale 12000 100000 Number of Neutrons 10000 8000 6000 4000 2000 10000 1000 100 10 1 1 7 13 19 25 31 37 43 49 S1 S16 S31 S46 0 1 4 7 1013161922252831343740434649 Strip Number 1.E+05 1.E+04 1.E+03 1.E+02 1D Liner scale Strip pitch : 1.6mm 1.E+01 1.E+00 1 11 21 31 41 51
MUSASI 検出器の歪み XY direction 16mm pitch 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 S52 S49 S46 S43 S40 S37 S34 S31 S28 S25 S22 S19 S16 S13 S10 S7 S4 52S1
MINE 時間分解能のテスト red black Li scintillater + PMT (R3292) PNSE:0.670±0.014 freq.:1.7060±0.0006μsec B-GEM chamber PNSE:0.650±0.007 freq.:1.6700±0.0004μsec Normalized Hit Counts 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 50μm GEM 一枚 ( ボロン厚 1.2μm + 0.9μm) 0 50 100 150 200 Time (20nsec/bin)
今後の実験 1. 中性子検出器としての改良 2.GEM の硬 X 線検出器への応用
中性子検出器としての改良 2.4μm の 10 B を蒸着させた GEM の利用 -1.2μm(0.6μm+0.6μm) 2.4μm(1.2μm+1.2μm) 大型化 -10cm 10cm 23cm 23cm
GEM の硬 X 線検出器への応用 原理 - 検出の原理は基本的には中性子検出等と同じ - 反応断面積を稼ぐために重金属である金をコート 問題点と対策 - 電子のガス中でのエネルギー損失が小さい 通常の GEM を 3 枚セットして増幅させる - 要求される位置分解能が高い さらに細かいピッチの読み出しを使用
GEM の硬 X 線検出器への応用 セットアップ Au-GEM 変換部 10 枚 Cu-GEM 増幅部
GEM の硬 X 線検出器への応用 大型化 -10cm 10cm 23cm 23cm 読み出し基盤の改良 - 読み出しピッチ 0.8mm 0.4mm 新しいタイプの GEM の開発 -100μm 厚 GEM -25μm 厚 GEM
おしまい
TOF 法による弾性散乱実験 中性子の波動性 ( 回折 ) を利用した構造研究 弾性散乱 波数 飛行距離 ( 試料による散乱 ) 試料 検出器 2θ 飛行時間 ( 波長に相当 ) 中性子源
NOP 小角散乱法のテスト sample:sio 2 HPS 500nm Direct Beam HPS 200nm Background
MUSASI 一様性 1.00 0.98 1.03 1.02 0.99 0.97 0.99 0.98 1.02 0.98 0.98 0.99 1.00 1.00 0.98 0.97 1.01 1.00 1.01 0.98 1.00 1.05 1.03 1.02 0.98
MUSASI&NOP まとめ - 歪みがない - 一様な検出効率を持つ - 良い画像検出器 - 小角の中性子散乱でも良い結果が得られた - 水素の問題がある
KENS 読み出しシステム T0 timing Fanin-Fanout Trg. Gate 5 m RPN220Dscr. Belle-CDC Pre-amp. RPN220 7 30 m Gate Gen. 4ms delay Width 40ms CLK Gen. (1MHz) 1μs Coincidence Gate Gen. CCNET Gate Gen. GATE VETO Gated trg. Reset 120μs delay Scaler GATE BUSY GATE CAMAC Belle-CDC Pre-amp. 7 ADC 2249A 9
KENS 粉末ダイアモンドの波長スペクトラム Cd のスリットを置いて測定 λ = 2d sin θ 3 He は既存のシステムより導出 粉末結晶のシミュレーション 2θ=70deg. flight time (wave length) msec
KENS λ = 2d sin θ
MINE&KENS まとめ - 画像検出器として有用 - 良い時間分解能を持っている
今使っている検出器 RPMT 5インチ HAMAMATSU シンチレータ ZnS+ 6 LiF(Ag)
検出効率の一様性 (RPMT) 位置補正前位置補正後一様性
抵抗分割 PMT2 次元検出器 抵抗分割型 2 次元検出器 2cm*0.3mm 中性子ビームを 1mmずつ移動し 30 回照射 2 次元画像データ例 90 回転 位置の分解能が良い :0.5mm*0.5mm 程度検出効率が良い :ZnSで30~40% 程度 1mm 厚 Li6で90% 以上 5インチ管で100mm 径 3インチ管で50mm 径の検出領域画像に歪みが出やすい