中性子基礎物理（NOP） BL05における中性子寿命測定のための検出器コミッショニング

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1 中性子基礎物理（NOP） BL05における中性子寿命測定のための検出器コミッショニング
音野瑛俊（東京大学） and the NOP Collaboration

2 実験の概要 （∵vns = v0s0 = const.） 単一の検出器（ＴＰＣ）で中性子の崩壊数とフラックスを同時計測する。
- ne+p+ν TPC Detect! e- ~350keV n p ~400 eV （∵vns = v0s0 = const.） - n+3Hep+3H TPC Detect! Our goal is to determine these parameters at 0.1% e ,  p : Detection efficiency of TPC 3He : 3He density v : 2200 m /s : 5333 barn at v0 p ３He Detect! n 572 keV ３H 190 keV

3 スピンフリップチョッパー 中性子が物質（真空容器の窓やビームダンプ）に吸収されると即発γ線が発生する。
TPCより中性子パルスを短くバンチ化することで、上記即発γ線がバックグラウンドとならない。 ここで、中性子の速度〜1000m/sec Magnetic mirror TOF Absorber - Spin flipper flips neutron spin when the flipper is active. - Supermirrors reflect one spin component. - Neutron bunch travels keeping its length through the TPC.  g-rays from out of the TPC are separated in time. + distinguish remaining g-rays by observing where their tracks start. Spin Flipper 20m Initial pulse (> TPC length) TPC Magnetic mirror 1m Chopped bunch (< TPC length)

4 Time Projection Chamber (TPC)
Drift部の軌跡をMWPC部まで電場で運び、増倍する。 有感領域：825mm x 196mm x 196mm MWPC部　 0V Drift部 -HV 1層目：Cathode 2層目：AnodeとFieldを交互 3層目：Cathode FieldワイヤーはSumしてトリガーとする Anodeは個別にFADCで取る Cathodeは数本束ねてFADCで取る

5 アンプ Field Sumは2系統に分ける Anode/Cathode用 n+3Hep+3H β崩壊 0.013V/pC 1.3V/pC
ノイズ：19mVRMS 80mVでThresholdをかける（2kVに相当）  事前テストの2倍 Anode/Cathode用 1.6V/pC ノイズ：1.3mVRMS 2~3%で揃っている 電流電圧変換係数 ノイズレベル [V/pC] [mVRMS]

6 バックグラウンドとTPCガス 中性子をTPCより短くバンチ化することで、 窓などを通過時に発生するバックグラウンドを 時間的に分ける。
β崩壊シグナル 中性子をTPCより短くバンチ化することで、 窓などを通過時に発生するバックグラウンドを 時間的に分ける。 すると、β崩壊シグナルのバックグラウンドは 散乱起因のバックグラウンド TPCガスで中性子散乱 　　→金属チェンバーに吸収 　　→γ線の発生 　　→コンプトン散乱で電子が発生 吸収起因のバックグラウンド TPCガスが中性子吸収： 　　→γ線の発生でTPCガスが反跳 　　→TPCガスの化学結合を切る　　

7 TPCの応答 200mm x 200mm x 800mm エネルギー分解能はΔE=17%@5.9keV
β崩壊で生成する電子のエネルギー TPCに落とすエネルギー 89%：TPCを抜ける 7%：TPC内で止まる 4%：反跳しTPCに戻る keV keV 4.9keV：99.9%のβ崩壊を捕らえるための閾値 吸収起因のバックグラウンド 〜 β崩壊　　　　←　　TPCに落とすエネルギーでカット　 散乱起因のバックグラウンド 〜 β崩壊ｘ0.3　 ←　　99.7%の散乱中性子を6Liで吸収させる　

8 リチウム6による散乱中性子の吸収 6Li + n  He + 3H ： 吸収時に即発γ線を発生しない反応がほとんど
5mm厚の焼結体で中性子を完全に吸収 （γ線を伴う反応の割合は8.8E-4） 濃縮フッ化リチウム （6Li : 7Li = 90 : 10） 99.7%を覆う設計を進行中 濃縮フッ化リチウム：テフロン= 30 : 70

9 55Feを用いた測定 リチウム６の壁の外側に55Feを載せた回転テーブルを設置 ドリフト方向への広がりをコリメートし、
15cm離れた2種類の高さで測定が可能

10 X線（5.9keV）のコリメーション 全てのアノードにヒットを残す ドリフト方向への拡散は1cm程度 上側のスリットを使った場合
アノード方向 カソード方向 高さ方向

11 測定結果 増倍率[104] 増倍率[104] アノード電圧[V] 減衰長[cm] カウント [keV] [hour]
増倍率のアノード電圧依存性 Anode の増倍率の一様性 両端ワイヤー：1760V 内側ワイヤー：1800V　　　 アノード電圧[V] カウント 減衰長[cm] トリガー : TPCに落とすエネルギー 減衰長の時間変化 55Fe:5.9kV ΔE/E〜17% [keV] [hour] 〜2.5keVにThreshold カソード電圧=3kV

12 課題 中性子寿命測定の主なバックグラウンドは TPCガスによる散乱と吸収 中性子散乱 →リチウム6を用いた遮蔽によって抑制を目指す
　→リチウム6を用いた遮蔽によって抑制を目指す 中性子吸収 　→トリガー用アンプの性能向上 　→減衰長の劣化を抑える 　→エネルギー分解能の向上 した上で、定量的にスペクトルを押さえる アウトガスの少ない素材でサイズを大きくすることも 検討している。 200mm x 200mm x 800mm 400mm x 400mm x 800mm

13 Detector System Comission
Year 2009 2010 Season Q2 Q3 Q4 Q1 Beamline Detector Online Elec Software Analysis 3He関係 100kW >100kW? Spin Flip Chopper Beam Test BG study Chamber Analysis TPC TPC LiF LiF Detector Design Veto Shield Beam Test #2 DAQ FE Detector System Comission Trigger Monitoring Copper Lite Slow Ctrl. Simulation Simulation Analysis framework Analysis framework ３He密度の0.1%での決定 ３Heの中性子吸収断面積

14 バックアップ

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16 Detector System Comission
Year 2008 2009 2010 Season Q3 Q4 Q1 Q2 Beamline Detector Online Elec Software Analysis Today 20kW 100kW Construction Spin Flip Chopper BG study Present Detector Analysis Chamber Wire Repairing Chamber TPC TPC Detector Design MWPC Shield Beam Test #3 Beam Test #1 Beam Test #2 PreAmp design PreAmp design Detector System Comission test test FADC 8Board DAQ FE FADC/Copper Trigger Monitoring Slow Ctrl. Simulation Analysis framework

17 Anode Voltage [V]

18 散乱中性子の角度とエネルギーを 調べる 0.01 eVで入射 前方散乱 後方散乱

19 ガス密度 He:CO2=85:15 mol数 Scatt xs Scatt prob. He g/cc g/cc mol/cc 1.34barn 3.0E-5[1/cm] CO2 g/cc g/cc mol/cc 14.0barn 5.7E-5[1/cm] 30cm 20cm 60cm 45cm

20 Irreducible background
散乱中性子に対する6Li、7Li、F、Cの即発γ線 γ線を発生する確率は0.119 [1/cm]なので、 散乱中性子に対して、8.95E-5でγ線が発生 5mm厚LiF板は2200m/sの中性子を1.2E-3に減衰 Mol数の計算 mol/cc Abs. xs [barn] Abs prob. 6Li（inelastic） 2.2*0.3/25*0.9 0.0238 940 13.4 [1/cm] 6Li（absorb） 0.039 5.5E-4 [1/cm] 7Li 2.2*0.3/25*0.1 0.0454 7.2E-5 [1/cm] C 2.2*0.7/50 0.0308 0.0035 6.4E-5 [1/cm] F 2.2*0.3/25+2.2*0.7/50*2 0.088 0.0096 5.1E-4 [1/cm]

21 Irreducible background
1000m/secでの吸収長 SUS304　7.93g/cc  吸収長：4.0cm/2.2〜1.81cm 鉛　11.3g/cc  吸収長：178.7cm/2.2〜81.2cm アルミ　2.7g/cc  吸収長：72.1cm/2.2〜32.7cm 1.0E-4のγ線発生率に抑えるためには以下が必要 LiF板は99.99%を吸収し、 1cmのＳＵＳ板に対しては99.99%の遮蔽 1cmのアルミ板に対しては99.7%の遮蔽 密度 mol密度 Abs. xs Abs prob. Fe 5.86g/cc 55.8 2.56barn 0.161 [1/cm] Cr 1.42g/cc 52.0 3.49 0.057 [1/cm] Ni 0.63g/cc 58.7 4.49 0.028 [1/cm] Pb 11.3g/cc 207.2 0.171 Al 2.7g/cc 27.0 0.231 [1/cm]

22 窓 Ｚｒ窓100μm厚を仮定 Abs. : 6.5/91*0.6*0.185=0.007928  7.9E-5
94Zr : 0.17*6.5/91*0.6*0.449= 96Zr : 0.028*6.5/91*0.6*0.0229= 　　　　　79Bq(γ) Bq (β) Scat.:6.5/91*0.6*6.46=0.277 2.7E-3で散乱 小角散乱中性子が背面のLiF板に当たった時

23 ビームストップ 35cm離れた6cm角の穴は2.3E-3 0.5 mm厚のテフロンで 30Bq（γ）、26Bq（β）
95%LiF で　55Bq（γ）、13Bq（β） Mol数の計算 mol/cc Abs. xs [barn] Abs prob. 6Li（inelastic） 2.2/25*0.95 0.0836 940 47.2 [1/cm] 6Li（absorb） 0.039 2.0E-3 [1/cm] 7Li 2.2/25*0.05 0.0044 0.0454 1.2E-4 [1/cm] F 2.2/25 0.088 0.0096 5.1E-4 [1/cm] C 2.2/50 0.044 0.0035 9.2E-5 [1/cm] 2.2/50*2

24 65Ni 2.52hour 97Zr 16.7hour 95Zr 64.0day 8Li 840msec 28Al 2.24min 1msec 1sec 1min 1hour 1day 1year 20F 11.2sec 51Cr 27.7day 12B 20.2msec 59Fe 44.5day 31Si 2.62hour 55Cr 3.50min

25

26 ガスの選定 散乱断面積 [barn] 吸収断面積 He 1.34 0.00747 CO2 14.0 0.00388 Ar 0.68
0.675 CH4 333.6 1.333 CF4 21.6 0.0419 炭化水素 系ガス >100 >1