μ-PICによる高速中性子線イメージング ２００９年度課題研究P6 μ-PIC班 μ-PICによる高速中性子線イメージング 栗本真志　 松岡佳大

本実験の目的 μ-PICのガス+GEM増幅率を調べ、μ-PICの扱いに慣れる 高速中性子による放射線の軌跡を見る 　二次元イメージング、三次元トラッキング

目次 1 μ-PICについて 2 エネルギー較正・ガス増幅率 3 二次元イメージング ① channelと位置の対応 2　エネルギー較正・ガス増幅率 3　二次元イメージング 　　　①　channelと位置の対応 　　　②　n-p散乱の軌跡と散乱角 4　おまけ　三次元トラッキング 5 まとめ　

1. μ-PICついて

μ-PICとは？ ピクセル型ガス検出器 二次元画像を高い位置分解能で取得 放電に対して安定 10cm(256ch) 10cm(256ch) 比例計数管

μ-PICの検出原理 Drift plane 放射線 カソード アノード 雪崩増幅 ASD (カソード) 電子雲 ASD (アノード) 400μm 50μm

ガス封じ切り容器(Aｌ) Ar:C2H6　=　92.26:7.74 ASD カソード ASD(Amplifier Shaper Discriminator) アノード

ガス + GEM 増幅装置 １４０μｍ Drift Plane GEM μ-PIC ポリイミド(絶縁体) 5μm Cuコーティング 70μm -3220V -600V GEM -300V 0V μ-PIC

2　エネルギー較正 ガス増幅率

μ-PICのエネルギー較正 まずは、μ-PICの増幅率を調べる 線源 109Cd,133Ba アノードASD 256ch→4つに束ねる ・・・ 線源　109Cd,133Ba アノードASD 256ch→4つに束ねる アノード電圧　410V~425Vで調べる 以下では代表で 415V ch0 について 0ch 255ch 64chずつ束ねる 0ch 1ch 2ch 3ch

FADCの波形から電荷量を求める Base Line(1600ns) Area (Charge) 電圧（mV） 三点以上連続してThresholdを超えたもののみを抽出（program） ~7mV下に Threshold(program) STOP DiscriminatorのThreshold Deｌay ~8μsec 時間 (nsec)

ヒストグラム (133Ba) Mean 97±6.0 Sigma 17.77±4.61 Charge(pC)

ヒストグラム (109Cd) Mean 74.76±3.66 Sigma 9.786±2.601 Charge(pC)

エネルギー較正 Charge (pC) keV

増幅率の求め方 増幅率は約3000 アノード 415V ch0 の場合 Ar+C2H6のW値 23.6 eV 　　　　　エネルギーと電荷の比例関係 3.27 pC/keV 　　　　素電荷量 1.60×10-7 pC 全体の増幅率 ASDの増幅率 　　　　　　　　160（既知） ∴μ-PIC+GEMの増幅率 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　4.82×105/160=3.01×103 増幅率は約3000

ｃhごとの増幅率 増幅率 アノード電圧（V）

ゲイン補正 ｃｈごとの増幅率を用いて、1イベントの全エネルギースペクトルを求めた (SUM) ch0 ch1 ch2 ch3 イベントごとにそれぞれ増幅率を加味して足し合わせる

SUMデータ ゲイン補正有

SUMデータ ゲイン補正無 エネルギー較正 Charge(pC) Energy(kev)

SUMデータ ゲイン補正無

133Ba ゲイン補正前 mean:29.59±1.55 sigma: 6.614±1.682 分解能（FWHM) =(2.355×6.614/29.59)×100 =52.6% ゲイン補正後 mean:29.24±1.41 ｓigma:5.917±1.571 分解能（FWHM） =（2.355×5.917/29.24)×100 =47.7% 133Ba

109Cd ゲイン補正前 mean:23.95±1.02 sigma:3.332±0.914 分解能（FWHM） = (2.355×3.332/23.95)×100 =32.8% ゲイン補正後 mean: 22.8±1.2 sigma:2.766±1.022 分解能（FWHM）=(2.355×2.766/22.8)×100 =28.6% 109Cd

3　二次元イメージング ①　channelと位置の対応

二次元イメージング（Xray mode) Clear Encoder Board（X-ray mode） Memory μ-PIC ASD 常時送り続ける 一定時間後 Clear ASD threshold PC pulse ASD (Cathode) pulse ( x , y ) の 256 , 256 channel ＋ clock値（約2msec 単位） ASD (Anode)

133Baによるイメージング

μ-PICの位置の調査 ガス封じ切り容器の中でμ-PICがどの位置にあるのかを調べた ガス封じ切り容器 μ-PIC(この位置を調べる) 10cm 18cm ガス封じ切り容器 μ-PIC(この位置を調べる)

133Ba線源 鉛 X方向(アノード側)6.5-7.5cmのとき アノード カソード y(cm) カソード 6.5 7.5 x(cm) Mean 76.97±0.25 Sigma 23±0.2 channel y(cm) X方向(アノード側)6.5-7.5cmのとき カソード 6.5 7.5 x(cm) アノード

Anode_channel X方向(アノード側)の位置 Y方向(カソード側)の位置

中央より左上に少しずれていたことが確認できた。 約10cm 18cm カソード側 3.153cm 4.52cm 18cm アノード側 中央より左上に少しずれていたことが確認できた。

3　二次元イメージング ② n-p散乱の軌跡と散乱角

高速中性子線から、電子雲生成までの過程 ＋ 高速中性子 陽子（水素原子核） 弾性衝突 ＋

Xray mode (x,y)情報 + clock数 (約2msec単位) X Y clock 3 230 0 112 200 15 50 150 120 74 140 120 103 122 120 90 120 54 300 54 92 564 ・ ・ 　　 ・

252Cf 9cm n 5cm 例 15データ分 Setup

d < 0.1 cm 散乱角 例　先ほどのデータより　OK(左) 　　NG(右)

θ

cosθ

σ 中性子ー陽子散乱のシミュレーション v = 1 / n λ λ = 1 / (n ・ σ) = 2 x 104 (cm) 1.散乱までの距離について σ λ v = 1 / n Ar : C2H6= Balance : 7.74% 標準状態1molの体積 = 22400 (cm3) 陽子個数密度 n (個/cm3) = 6.02 x 1023 x 0.0774 x 6 / 22400 = 1.25 x 1019 (個/cm3) 散乱断面積 σ (cm2) (En = 1MeVに対して) = 4 (barn) = 4 x 10-24 (cm2) λ = 1 / (n ・ σ) = 2 x 104 (cm)

分布関数 乱数Random [0,1] に対して λ = 2x104 を満たす r を求める。 0~10cmで衝突する確率は 約 0.05％ 　　　　約 0.05％ slopeの逆数がほぼ 2x104

2.散乱角の大きさについて 実験室系 n p θ 陽子 (静止) 反跳陽子 　　　(ER) 入射中性子 (En) 重心系 n p Θ

P(ER)については が成り立つ エネルギー分布 P(ER) ER

cosθの分布 cosΘ cosθ cosθ

注. ERが小さすぎると、検出できない + Enにも分布がある T = 1.42 (MeV):文献値

ERと散乱角の分布 Eｎ最大が10MeVなので境界線は

4　おまけ 　三次元トラッキング

TPC mode ・Xray mode + Discriminatorからのトリガ信号 ・ x , y , clock (10nsec単位) , FADC波形 clock情報からは、プロット間の相対的な高さが得られる。

y(channel） x(channel） 3 z(clock) 2 2 3 １ １ y(channel） x(channel） z(clock) 3 2 １ １ 2 3

x(channel） z(clock) 35 22 clock = 220ns 13 8 clock = 80ns 5 128 133 147 5 clock = 80ns 14 clock = 224ns

まとめ ・ ガス増幅率 ゲイン補正 二次元イメージング 位置 n-p散乱 ・三次元トラッキング 電圧との関係 分解能の向上 　　　　位置 　　　 n-p散乱 ・三次元トラッキング 電圧との関係 分解能の向上 channelとの対応 散乱角の分布 FADCとENCORDERの相関

おしまい

予備スライド

エネルギー較正 １０９Cdと１３３Baでfitting Anodeは415V ch0 ch1 ch2 ch3 電荷（pC) 電荷（pC) エネルギー(keV) 電荷（pC) 電荷（pC) ch2 ch3

増幅率の求め方 増幅率は約２３００ Anode415V、109Cｄと133Baのch0の場合で考える Ar+C2H6のW値は23.6eV エネルギーと電荷の関係を表したエネルギー較正（前ページ）の傾きが2.527(pC/keV) 素電荷量が1.60×10-7pC よって全体の増幅率は ASDの増幅率が160（既知）としてμ-PIC+GEMの増幅率は 　3.72×105/160=2.33×103 増幅率は約２３００

ｃhごとの増幅率 増幅率 Anode電圧（V）

Gain補正 ｃｈごとにfittingした増幅率を用いて、eventごとに全ｃｈ足し合わせたエネルギースペクトルを求めた（Anodeは415V） ch0 ch1 ch2 ch3 eventごとにそれぞれ増幅率を加味して足し合わせる

eventごとのsumデータ（Gain補正無し） エネルギー較正

Gain補正なしでsumデータのエネルギー較正

eventごとのsumデータ(Gain補正後)

133Ba Gain補正前 mean:29.32±5.02 sigma: 11.72±4.75 分解能（FWHM) =(2.355×11.72/29.32)×100 =94.1% Gain補正後 mean:30.69±3.02 sigma:9.561±3.218 分解能（FWHM） =（2.355×9.561/30.69)×100 =73.4% 133Ba

109Cd Gain補正前 mean:21.41±3.71 sigma: 6.42±2.72 分解能（FWHM） = (2.355×6.42/21.42)×100 =70.6% Gain補正後 mean:21.17±3.26 sigma:5.697±2.668 分解能（FWHM）=(2.355×5.697/21.17)×100 =63.2% 109Cd

エネルギー較正の方法について 例 ch2について meanに対する誤差は10%くらいですが、 ⊿meanは その誤差が　（6.892+6.42）1/2　=　9.40 で大体　(9.40/10.26)x100=91.62%　となり、このせいで最終的な増幅率の誤差も大きくなるのですが。 要するに傾きの誤差が大きいので

・補足. P(ER)について まず、重心系での微分散乱断面積 σ = σ(Θ) を考え、 σs :全散乱断面積　 , を用いて 特に、n – p 散乱では、 σ(Θ) が一定で σs/4π となるので、　　

シミュレーション確認用グラフ１ 　　　cosΘ 　　　ER/En 　　　cosΘ

シミュレーション確認用グラフ２ 　　　cosθ 　　　ER/En 　　　cosθ

シミュレーション確認用グラフ３ ’ cosθ vs cosθ’ cosθ cosθ’

cosθの分布 cosΘ cosθ cosθ

代わりに、かなり強引ですが、 P(E)∝E としてやると、 ER/Enを>0.8でソートすると、cosθ = 0.9あたりでバッサリ切れます・・・ 代わりに、かなり強引ですが、 P(E)∝E としてやると、

P(E)∝E cosθの分布

として Random を[0,1]でふってやり、散乱角（仰角）を求め、 また、方位角は[0,2π]でふってやり、求める。 中性子がz軸に沿って入射したとして、極座標(r,θ,φ)で散乱方向を考える として Random を[0,1]でふってやり、散乱角（仰角）を求め、 また、方位角は[0,2π]でふってやり、求める。 cosθ の分布 cosθ

さらに、この (θ,φ) で与えられる方向を、y-z平面（Xray modeにおけるx-y平面）に射影し、新たに散乱角 θ´ を定める。 cosθ´ cosθ´

測定データと、シミュレーションデータ シミュレーションも同じ個数だけデータを取り、比べてみる。 cosθ

線源は252Cfを使用 α崩壊：96.91% 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 自発的核分裂：3.09% 密閉容器をα粒子は透過できない 中性子線が主に観測される

FADCの波形から電荷量を求める Base Line(1600ns) Area (Charge) 電圧（mV） STOP DiscriminatorのThreshold Deｌay ~8μs 時間 (nsec)

ヒストグラム (109Cd) アノードは４１５V(0ch) Charge(pC)