反跳電子計測のための APD,プラスチックシンチレータ を用いた実験

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1 反跳電子計測のための APD,プラスチックシンチレータ を用いた実験
土屋優悟 増田　周 水谷宗隆

2 実験目的 MeV領域ガンマ線観測による宇宙未解決問題の解明 ･超新星残骸での元素合成 ･宇宙線起源の問題
　元素合成の過程の解明 ･宇宙線起源の問題 ガンマ線を作る加速粒子が電子か、陽子かを識別 ガンマ線がπ0中間子起源の場合、必ず約70MeVにピークを持つスペクトル → 陽子起源のガンマ線と確認できる。 陽子由来のγ 電子由来のγ GeV ⇒MeV領域のガンマ線からは重要な情報が 得られるため、感度の良い検出器の開発が 強く望まれている。

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4 実際の観測 0.8MeV～30MeV 20MeV～300GeV コンプトンガンマ線観測衛星 CGRO / COMPTEL
フェルミガンマ線宇宙望遠鏡 FERMI / LAT 20MeV～300GeV

5 コンプトン法を使った検出方法 ＜問題点＞ ガンマ線の到来方向に関して円周を決定することはできるが
・散乱の起こる位置 ・反跳電子のエネルギー ・散乱ガンマ線の位置とエネルギー を測定できる。 ＜問題点＞ ガンマ線の到来方向に関して円周を決定することはできるが 電子の反跳方向に関する情報は失われているため 1光子に対してそれ以上の到来方向を知ることは不可能！

6 Electron Tracking Compton Camera（ETCC）
電子飛跡検出型コンプトンカメラ Electron Tracking Compton Camera（ETCC） 散乱電子の方向とエネルギー → Micro-TPC (ガス検出器) 反跳ガンマ線の位置とエネルギー → シンチレータ位置検出器 ⇒入射ガンマ線のエネルギーと 到来方向も決定できる

7 (10cm角TPCで)100keV以上の エネルギーを持つ反跳電子は TPC外へ e－

8 →APD(Avalanche Photodiode)
反跳電子をTPC内部の プラスチックシンチレータで吸収 e－ ’ 散乱ガンマ線 →無機シンチレータ(GSO) TPC シンチレータ光の読み出し →APD(Avalanche Photodiode) APD

9 High Energy mode ETCC 30cm cubic TPC High Energy Mode High Energy Mode

10 逆 増倍領域

11 実際のAPD 10cm 10mm×10mm 型番：浜松フォトニクス (S ) 倍増率：50 15.5cm

12 PHADCの電圧校正 FunctionGeneratorからピーク電圧の決まった波形 を入力し、それに対するADC値を調べ、
校正曲線を作った。 (0.2789mV/ADC) 3 電圧 2 1 ＡＤＣ

13 ブロックシーケンス APD PreAMP Shaper Li F/F PHADC VME(PC) Discriminator
約1ms,1pF 0.5μs APD PreAMP Shaper Li F/F PHADC VME(PC) UNI INPUT OUT INPUT 0 OUT GATE 電荷有感型 Discriminator IN 400V VETO VIAS supply OUT RPV130 Lo F/F IN FIN1 Veto信号 OUT 1 Gate信号 STOP START START OUT OUT 5.7μs Gate Generator

14 TIMING CHART threshold 1μs程度 Discri Gate 5.7μs RPV Stop Veto 140μsec 1
Discri 1 Gate 5.7μs 1 RPV Stop 1 Veto 140μsec 1

15 オシロで見た実際の波形 ２４１Ａｍ ｔｈ９０ｍＶ 350mV Ｇａｉｎ１．０×１００ 140μsec APDからの信号 Gate 信号
２４１Ａｍ　 ｔｈ９０ｍＶ　 Ｇａｉｎ１．０×１００ Gate 信号 Gate 信号 350mV Veto 信号 Veto 信号 140μsec

16 S/Nの改善 241Am(59.5keV)、109Cd(88.0keV) のピークは見えたが、
133Ba(31keV)、139Ce(33.4keV)、57Co(14.4keV) の低エネルギー帯のピークはノイズに埋もれて 見えなかった。

17 S/Nの改善 その時点でのノイズは40mV(p-p)だった。 そこでそれらを見るためにさらにノイズを落とす ことにした。

18 ノイズ落とし APDのグラウンドの強化 APDを入れた遮蔽箱を開け、中の接地面積を 増やしてグラウンドを取り直した。 ↑ノイズ落とし前裏面
←ノイズ落とし前内部　

19 ノイズ落とし シールド線を入れてグラウンドの接地面積を増やした ↑ノイズ落とし後内部　

20 ノイズ落とし 導線の接続のはんだ付け 金属網での端子付近と同線の固定

21 ノイズ落とし グラウンドの強化によるノイズ落としをしたところ、 ノイズが20mV(p-p)まで落ちた。
133Ba グラウンドの強化によるノイズ落としをしたところ、 ノイズが20mV(p-p)まで落ちた。 再び測定するも30keV代のピークは見えなかった。

22 ノイズ落とし前 バックグラウンド　th20mV GAIN10 Counts/sec V

23 ノイズ落とし後 バックグラウンド th10mV GAIN10 Counts/sec V

24 エネルギー校正 二つのピークと、線源を用いずに測定したADCの 0voltの値を用いてキャリブレーションを行った。
241Amと109Cdのピークは取れたので、 二つのピークと、線源を用いずに測定したADCの 0voltの値を用いてキャリブレーションを行った。

25 241Amと109Cdの測定結果 Gain 1.0×100 Counts/sec Counts/sec Gain 0.5×20
Threshold 20mV Am ADC 2300 ADC 550 Gain 1.0×100 Counts/sec Gain 0.5×20 Threshold 20mV 650 Counts/sec Cd ADC 3300 ADC

26 キャリブレーション 求められた校正曲線 Gain0.5×20 keV ADC

27 キャリブレーション 求められた校正曲線 Gain1.0×100 keV ADC

28 キャリブレーション 241Am(counts/sec-keV)グラフ Counts/sec keV

29 キャリブレーション 109Cd(counts/sec-keV)グラフ Counts/sec keV

30 デッドタイム デッドタイム 241Am(th20mV,Gain10)の測定時に 140μsec/countのデッドタイムが かかっていた。
Count数:100000count AmのTotalDeadtime/realtime = 14sec/30min 　　 ≒ 0.7% Amの測定においては realtime≃livetime

31 エネルギー分解能 エネルギー分解能=ΔE/E=FWHM/PEAK (FWHM=半値全幅) ・Gain0.5×20の時
　　241Am(55.9keV):25.6±2.1 % 　　109Cd(88.0keV) :23.1±4.2 % ・Gain1.0×100の時 　　241Am(55.9keV):24.8±2.4 % 　　109Cd(88.0keV) :22.1±2.3 %

32 エネルギー分解能 エネルギー分解能グラフ

33 分解能の考察 59.5keV:0.275% 88.0keV:0.226% 分解能の理論値＝ F(fano-factor: 0.12)
SiのW値＝3.76(eV) とすると 59.5keV:0.275% 88.0keV:0.226% 測定結果 Am(55.9keV):25.6±2.1%, Cd(88.0keV) :23±4 % に比べ、大幅に分解能が悪い結果になった。 昨年のガンマ班のpptによると、昨年の測定では 59.5keV：52.6±6.9％ keV：48.1±16.0%

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35 ステータス １０cm×1.5cm×1.5cm 透明/ファイバー無し 側面白塗装/ファイバー有り 全面白塗装/ファイバー有り

36 プラスチックシンチレータ 1.5cm×1.5cm 10cm APDの光電面に光学グリスを塗り、プラスチックシンチレータと 接触させた
テフロンテープ＋ 遮光用黒ビニールテープ

37 プラスチックシンチレータ 実験装置の概観図

38 プラスチックシンチレータ 鉛板を乗せた状態

39 セットアップ概要図 鉛板 l=3cm プラスチック シンチレータ h=2.5cm h=5cm 遮蔽箱 APD source source

40 ヒストグラム を作成した。 BGと比べてSr,Coでのcount rateが 明らかに変わった。

41 ヒストグラム BG th160mV GAIN100 Counts/sec ADC

42 ヒストグラム Sr th160mV GAIN100 Counts/sec ADC

43 ヒストグラム Co th160mV GAIN100 Counts/sec ADC

44 ヒストグラム 線源の位置による変化 Counts/sec keV

45 デッドタイム デッドタイム Count数:100000count
SrのTotalDeadtime/realtime = 14sec/20sec ≒ 70% realtime ≠ livetime

46 まとめ APDを使ってAm等の線源を観測し、スペクトルを得た。 ある程度ノイズを除くことができたが、109Cd,139Ceなど
の低エネルギー帯のピークを観測することはできなかっ た。 241Am,109Cdのピークを元にキャリブレーションを行い、 エネルギー分解能を求めた。 　　Gain1.0× Am(55.9keV):24.8±2.4 % 　　　　　　　　　109Cd(88.0keV) :22.1±2.3 % さらなる分解能の改善が必要。 プラスチックシンチレーターの接続や遮光をした。 プラスチックシンチレータをAPDにつなぎ、Srなど 　のベータ線源を観測した。位置に依存する適当な変化 が見られた。

47 今後の展望 ノイズの原因究明 Shaper以前のADCもしくはPreAmpでのノイズを落とす プラスチックシンチレーターの比較
　 他の種類のプラシンでも計測をし性能を比較してみる 　 プラシンの分解能を調べる。