高分解能位置感応型 ファイバーシンチレーション検出器の開発 埼玉大学大学院　理工学研究科 物理機能系専攻 宮澤　周

目次 背景（入射核破砕反応・粒子識別） 研究目的（高検出効率,高計数率高位置分解能をもつ位置検出器） 装置概要（ファイバーシンチレーションを用いた固体検出器） 実験内容（安定核ビームでのHVと収束・発散） 解析結果（位置分解能・検出効率・時間分解能） まとめと今後（装置の評価と問題点）

背景（入射核破砕反応） 原子核の種類に依らない物理的手法 前後で速度がほぼ等しい 運動量や放出角度の分散が小さい 陽子数 中性子数

粒子識別 反応標的   PPAC 150～260㎛

研究目的 新しい位置検出器の開発 中間エネルギー重イオンビームによる検出器の性能評価 角型ファイバーの配置を工夫し, 不感領域のない, 厚さ一様 のものを考案 高検出効率, 高計数率 高位置分解能 汎用検出器として重イオン/RIビーム実験への応用 中間エネルギー重イオンビームによる検出器の性能評価

装置概要 0.5mm角の角型ファイバーシンチレーション 64ch ×2層 (128ch) × XY面 (256ch) 有効面積 (45mm×45mm) beam beam 45mm

原理・構造 A層 B層 有効面積 ～80% ～100% 位置分解能 ファイバーの径 ファイバーの径以下が可能 検出可能 検出不可能 すべて検出可能 A層 A層通過距離 B層通過距離 B層 有効面積 ～80% ～100% 位置分解能 ファイバーの径 ファイバーの径以下が可能

読み出し BELT読み出し：連続する8chをまとめて読み出す STRIP読み出し：8chおきにまとめて読み出す STRIP読み出し １～８ ９～１６ １７～２４ ５７～６４ 1,9,17,25,…57 2,10,18,26,...58 3,11,19,27,…59 8,16,24,32,…64 1 64 8チャンネル 光電子増倍管 R5900U-L16 STRIP読み出し BELT読み出し

読み出しと8本のPMTの略称 = = 8本のPMTからの信号を 読みだしている X方向A層BELT読み出し XAB X方向A層STRIP読み出し XAS X層のPMTと読み出し = =

実験 実験施設：放医研（HIMAC） ビーム：56Fe (500MeV/u) カウントレート：100Hz SB2 F3 実験セットアップ slit 実験セットアップ dipole magnet トリガー 検出器 PPAC Production target Quadrupole magnet 実験セットアップをここに ファイバー シンチレーション 検出器 Primary beam

解析 位置分解能 Step0：マルチプリシティ１の選択 （１事象当たりのアノード信号のHit数） Step1：64分割 時間分解能

位置分解能 Step0 : マルチプリシティ１の選択 マルチプリシティ（XAB） X方向A層 10⁵ 93% 10⁴ 6% 10³ 10² 10 0 1 2 3 4 1

Step1：64分割 検出可能領域 A層 A層B層 両方の信号を使う 検出不可能領域 A層 B層 720㎛

Step1 : 位置スペクトル 検出効率 98.8% 位置分解能 720㎛ 10⁴ 10³ 10² 10 1 X(mm) -20 -10 0 10 20

Step2：256分割 全データをA,B,AB1,AB2の４つに場合分け

Step1-2 : 位置スペクトル 位置分解能180㎛(～237㎛) 検出効率98.8％ 位置分解能720㎛ 検出効率98.8％ Step2 10⁴ 10⁴ Step2 Step1 10³ 10³ 10² 10² 10 10 1 1 X(mm) -20 -10 0 10 20

delay-line PPACと比較 BEAM ファイバーシンチレータとPPACの間にフィンガー カウンターを挿入し,位置スペクトルを比較する 7mm ファイバー 10³ PPAC 2mm角 10³ BEAM 50mm 10² ファイバー フィンガー PPAC 10² 10 10 1 1 フィンガーカウンター -10 -5 0 5 10 X(mm) -10 -5 0 5 10

Step3:発光量の位置依存性を 利用した分解能の向上 ビームの通過位置によって A層とB層での発光量が異なる QDC2次元スペクトル B層 (ch) 80 X面BELT読み出し 70 60 3 X 50 40 2 30 20 １ 10 A層 0 50 100 150 200 250

Step2-3 : 位置スペクトル 位置分解能180㎛(～237㎛) 検出効率98.8％ 位置分解能720㎛ 検出効率98.8％ 位置分解能80㎛ 検出効率66.4％ マルチプリシティ1 　　A層かつB層 マルチプリシティ1 10⁴ 10⁴ Step2 Step1 Step3 10³ 10³ 10³ 10² 10² 10² 10 10 10 1 1 1 -20 -10 0 10 20 -20 -10 0 10 20 X(mm)

時間分解能 XABのTOF(ns) Hitしたもののみで平均を取る 2000 X層の4本のTOF XAB XAS XBB XBS 1500 1000 X層のPMTのHit数 1 0.35％ 2 47.7％ 3 13.7％ 4 37.6％ 0.62％ 500 12 14 16 18 20 (ns)

X層のTOFの平均値 Hit数2　σ=180ps 2500 47.7％ 2000 1500 1000 500 12 14 16 18 20 22 (ns)

検出器の性能 位置分解能 時間分解能 検出効率 Step2 180㎛ (～237㎛) 180ps～ ～98.9％ Step3(QDC利用) ～66.7％ delay-line-PPAC 150～260㎛ ～420ps ～99％ Si(ストリップ) ～500㎛ ------------ ～99%

性能評価 位置検出器として、位置分解能,時間分解能,検出効率 delay-line-PPACを超える性能を持つ マルチプリシティ複数のデータの読み取りができな い 検出効率,A層B層両層を通過するデータの限界

まとめと今後 角型ファイバーシンチレーターを利用して新型の汎用位 置検出器を開発 放医研HIMACに於いて, 56Fe 500MeV/uによるビーム試 験を行った 位置分解能として最大80㎛を得た 検出効率として98%以上を得た 検出器の位置依存性は少ない 今後の課題 ハイビームレートでの試験 検出器の位置依存性の評価 位置分解能の定量化

終わり

マルチプリシティ1の具体的式 X層 マルチプリシティ（Hit数） XAB(1)∩XAS(1) or XBB(1) ∩XBS(1) 85.8％ XBB(1) ∩XBS(1) 79.7％ XAB(1)∩XAS(1)XBB(1) ∩XBS(1) 66.7％

X層のTOFの平均値 Hit数4 Hit数による場合分け Hit数2 1200 2500 2500 σ X Hit4 290ps Y Hit4 230ps Y Hit2 280ps Hit数2　σ=180ps Hit数4　σ=290ps 2000 2000 800 Hit数4 Hit数による場合分け Hit数2 1500 1500 47.7% 1000 37.6% 1000 400 500 500 12 14 16 18 20 (ns) 14 16 18 20 12 14 16 18 20 (ns)

TOFのHit数の分類 どうしてTOFはテールを引いているのか？ なぜHit数の違いにより、ピークの山やσが異なるのか？ XAB XAS XBB XBS 37.63% Hit数 3 XAB XAS XBB 5.7% XAS XBB XBS 5.7 % Hit数 2 XAB XAS 38.1% XBB XBS 9.5 %

Step2：～237㎛ ４つの場合分けの検出領域が均等であるか 分解能～237㎛ (720×33.9％) XA XB XAB1 XAB2 粒子の数の割合 19.1% 13.1% 32.8% 33.9%

A層かつB層のデータ A層のみ、B層のみのデータ

場所によって分解能が異なってしまう Step3：QDC利用 Step2：粒子の数の割合から幅(137㎛=720㎛×19.1％) XA XB XAB1 XAB2 粒子の数の割合 19.1% 13.1% 32.8% 33.9%

現実的にこのようにすべての領域の分布が一定であるこ とは考えにくい、下の図や、4つのスペクトルの様に、 機械工作的誤差から、場所によって幅が揺らぐ。 そのため、デフォーカスビームを電圧を変えて当て、全 ての場所について個別に補正。 また、電圧変化による依存性を定量的に求める。

XA XB XAB1 XAB2 19.1% 13.1% 32.8% 33.9%

位置分解能 X=230㎛ XA or XB=30% 位置分解能≃80㎛ X A層 0.35mm B層

R5900U-L16 Le Croy 4448 48-Bit COINCEDENCE Register LeCroy 3412 DISCRI XAB アノード1 AMP XAS Le Croy 4448 48-Bit COINCEDENCE Register XBB LeCroy 3412 DISCRI アノード2 AMP XBS YAB ・・・・ ・・・・ YAS YBB Le Croy 4448 48-Bit COINCEDENCE Register LeCroy 3412 DISCRI YBS アノード8 AMP 8ch共通 ダイノード AMP delay QDC

回路図 Le Croy 4448 48-Bit COINCEDENCE Register XAB アノード1 AMP DISCRI XAS CRATE CONTROLER GATE XBB VETO 4 FOLD LOGIC STOP XBS GATE GENERATER 4 FOLD LOGIC YAB START YAS TRIGGER YBB YBS 8ch共通 ダイノード AMP delay QDC