[内容] 素粒子実験に用いる光子・荷電粒子検出器 (Photon and Charged Particle Detectors 2007/12/17 物理学コロキウム第二 素粒子実験に用いる光子・荷電粒子検出器 (Photon and Charged Particle Detectors 　　　　used in Particle Physics Experiments) [内容] 1.概要 2.Detectors 3.ADCとTDCの linearityのcalibration 4.まとめ 柴田研究室 04_2374_6 水頭　慎一 Page.1

1.概要 目的 手順 高エネルギー素粒子実験で用いる検出器の使い方を、実際 の粒子検出を通して学ぶ。その第一段階としてCAMAC-ADC, TDCを含む回路を組む。そして、鉛ガラスチェレンコフ検出器 などについて学ぶ。 手順 ・CAMACやNIMモジュールを用いて回路を組む ・CAMAC-ＡDCとＴDCのlinearityのcalibration ・鉛ガラスチェレンコフ検出器を用いて測定(宇宙線など) Page.2

2.Detectors ・飛跡測定 ・エネルギー測定 泡箱 ワイヤーチェンバー 磁気スペクトロメータ 半導体検出器 カロリメータ ・高エネルギーの素粒子実験では粒子 (>1GeV) の測定に様々な検出器を使う。代表的なものとして、 　　・プラスチックシンチレータ 時間分解能が数百psecと高く、扱いやすい 　　・マルチワイヤープロポーショナルチェンバー(MWPC), - Tracking 　　　　　空間分解能は数百μm 　　　ドリフトチェンバー(DC), 　　　　　空間分解能は数十μm　 　　・鉛ガラスチェレンコフ検出器 - 電磁カロリメータ がある。 Page.3 ・飛跡測定 泡箱 　　ワイヤーチェンバー 磁気スペクトロメータ ・エネルギー測定 半導体検出器 カロリメータ

・鉛ガラスチェレンコフ検出器 ・チェレンコフ輻射の原理 チェレンコフ光は荷電粒子の進行方向に円錐状に輻射される。 このときの輻射角 は、 - + + - ・チェレンコフ輻射の原理 　　　条件： - + + - 𝜃 𝑐 - + - + + - +　　- 𝑣≥ 𝑐 𝑛 𝑣 ：荷電粒子の速度 ：輻射体の屈折率 𝑛 -　　+ +　　- チェレンコフ光は荷電粒子の進行方向に円錐状に輻射される。 このときの輻射角　　は、 輻射体の屈折率から粒子の速度の下限がわかる。 輻射体には気体や固体が用いられる (例： 鉛ガラスの屈折率 =1.92 ) 輻射体 +　　- - 𝜃 e cos 𝜃 𝑐 = 1 𝑛𝛽 cos 𝜃 𝑐 = 1 𝑛𝛽 cos𝜃= 1 𝑛𝛽 𝛽= 𝑣 𝑐 𝜃 𝑛 ・チェレンコフ輻射によって出る光子の数　　 𝑁 𝑁=2𝜋𝛼Ｌ sin 2 𝜃 𝜆 2 𝑑𝜆 - 𝛼 ：微細構造定数 ：荷電粒子の通過距離 e Ｌ ・チェレンコフ輻射の時間変動は粒子の通過速度によるので非常に速く、検出器として 時間分解能に優れている。 e Page.4 ｎ 具体的には、λ＝４００～７００nmの可視光領域では単位長さ（１ｃｍ）あたり 約500 個の光子が発生する。 円錐状に sin𝜃 𝑛𝛽≥1 𝑛𝛽≥1 ・チェレンコフ光 　入射した荷電粒子の速度が屈折率　　の物質中で光速を超える場合、 荷電粒子によっておきた分極が戻るときに出る光が指向性を持ち、粒子 の進行方向に円錐上にチェレンコフ輻射が起こる。 　実験では屈折率の高い鉛ガラスを用いてチェレンコフ光を検出することを目的とする。 ・チェレンコフ輻射は物質の屈折率と入射粒子の速度の積に閾値 があるため、屈折率が可変な物質(例：エアロジェル)を用いることで目的 の速度領域をもつ粒子を判別できる。

・電磁カロリメータとしての鉛ガラス ( E = 1～20GeV ) ・電磁シャワー 電子や陽電子が制動放射で　線を放出 　線が電子・陽電子対を生成 　　　　　　　　　　　　・ の繰り返しで電磁シャワーとなる 𝛾 𝛾 ・ ・ ・ 𝑒 + 𝑎 ・ ・ ・ 𝛾 𝛾 ・ ・ ・ 𝑒 − 𝑎 𝑒 − 𝑎 𝛾 ・ ・ ・ 𝛾 𝛾 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・電磁カロリメータ 𝑒 − 𝑎 電磁シャワー中の電子・陽電子のチェレンコフ光の総和を測定 入射粒子のエネルギーがわかる 測定にはRadiation length よりも大きな検出器が必要 ( Radiation length: 電子のエネルギーが 1/e になる厚さ ) 鉛ガラスのRadiation length 　 は小さく、カロリメータとして適している。 𝛾 𝑋 0 ( 例 : HERMES 実験では、 = 2.78 ｃｍの鉛ガラスが使用された) 𝑋 0 Page.5 𝑒 − 𝑎 𝑒 − 𝑎

3.TDCとADCのlinearityのcalibration ・検出器のエネルギー分解能, 時間分解能をそれぞれＡＤＣ,ＴＤＣを用いて測定する。 鉛ガラスチェレンコフ検出器には1～20GeVの広いDynamic Rangeが必要。 時間情報も測定に使う。 →ADCとTDCのlinearityのcalibration Pocket Pulser (100Hz) Discriminator Gate Generator Gate ADC Signal Divider Ch0 Delay Start Discriminator TDC Delay Ch0 (Stop) 　今回は入力信号としてパルサーを用いてADCとTDCのlinearityのcalibrationを行った。 ・ADC ( Analog to Digital Converter) ADCではGate信号が来ているときに入力された 信号の総電荷を測定する。 ・TDC ( Time to Digital Converter ) TDCでは2つの入力信号の時間差を測定する。 NIMモジュールと組み合わせて上図の回路を作り、 ADCとTDCのlinearityのcalibrationを行った。 ADCが電荷を 測定する Gate信号 測定信号 start信号 stop信号 TDCが時間差を測定する Page.6

・ＡＤＣ ADC (LeCroy,2249W) の規格は次の通りである。 Full Scale Range 0～256pC (count) ・ＡＤＣ ADC (LeCroy,2249W) の規格は次の通りである。 Full Scale Range 0～256pC Number of Bits 10bit(1024channel) High Sensitivity 0.25pC Resistance 50Ω 22ns (channel) 図1: 電荷を段階的に変更した場合のADCの値 920mV 1 2 ×22ns× 920mV 50Ω 1 =202pC ・オシロスコープでパルス波を観測し、その波形を三角形に近似して電荷を概算した。 ・パルスをAttenuatorに通した。 　ＡＤＣのchannel値は図２のようになった。 図２のグラフの　　fit,誤差の評価を今後行う。 図２:電荷とADCのchannel値 𝜒 2 Page.7

・ＴＤＣ ↓ TDC (LeCroy,2228A) の規格は次の通りである。 Time Range 0～100nsec (count) TDC (LeCroy,2228A) の規格は次の通りである。 Time Range 0～100nsec Number of Bits 11bit (2048channel) Time Resolution 50psec ・始めに、規格内の時間差(0～100nsec)を作って測定してみたが、うまくcountがとれない 　数百nsecの時間差で測定してみたところcountがとれていた（図３） 　　　　　　　↓ 　今回用いたTDCは改造品であり、OffsetとTime Resolutionの値が規格と大きく違ったものであるらしい。 ・各時間差に対応したTDCのChannel値は図４のようになった。 　時間差27nsec未満のものはcountがとれなかった。(Time Range: 27nsec～3665 nsec) 図４のグラフの　　fit,誤差の評価を今後行う。 (channel) 図３: delayを段階的に変更した時のTDCの値 Time Resolution : 1.78 nsec 𝜒 2 図４:時間差とTDCのchannel値 Page.8 Start TDC Pocket pulser Discriminator Rate Divider Ch0 (Stop) Delay

5.まとめ ・素粒子実験では、測定する粒子や物理量に応じて様々な性能 を持った検出器を用いる。 ・素粒子実験では、測定する粒子や物理量に応じて様々な性能 を持った検出器を用いる。 ・電磁カロリメータとしては鉛ガラスチェレンコフ検出器などが用 いられる。 ・CAMAC-ADC,TDCのlinearityのcalibrationを行った。 ・今後の展望 ・CAMAC-ADC,TDCのスペクトル測定 ・鉛ガラスチェレンコフ検出器に付けるPMTや回 路の予備実験 ・鉛ガラスチェレンコフ検出器を用いた測定実験 (宇宙線など) ・PHENIX 実験の高エネルギー陽子-陽子衝突 における直接ガンマ線放出 ( )の データ解析などを行う。 30cm 𝑝+𝑝→𝛾+Ｘ 12cm 参考文献： 　　「素粒子・原子核物理入門」 B.Povh　他 (シュプリンガー・フェアラーク) 　　「放射線計測学」 三浦 功　他 (裳華房) 　　「放射線測定」 飯田 修一　他 (朝倉書店) 　　「Cerenkov radiation and its applications」 J.V.Jelley (Pergamon Press) Page.9 ＨＥＲＭＥＳの高エネルギー電子産卵の　　生成のデータ解析 𝜋