シンチレーション・カウンター 実験Ⅲ素粒子テーマ２回目 シンチレーションカウンターの理解 荷電粒子と物質の相互作用 プラスチックシンチレータ

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1 シンチレーション・カウンター 実験Ⅲ素粒子テーマ２回目 シンチレーションカウンターの理解 荷電粒子と物質の相互作用 プラスチックシンチレータ
担当教員: 佐藤 TA: 先崎、森内 連絡先: 自然学系棟D208 (x4270) シンチレーション・カウンター 実験Ⅲ素粒子テーマ２回目 シンチレーションカウンターの理解 荷電粒子と物質の相互作用 プラスチックシンチレータ 光電子増倍管（PMT) HVカーブの測定 検出効率の統計誤差 ライトリークテスト

2 ディスクリミネータの出力パルス幅 前回、ディスクリミネータのアウトプット・パルス幅を15 nsに調整した。
パルス幅を再確認し、必要なら直すこと。 テキストには１５nsと書いてあるが、これは下図ｂのことではないので注意。 パルスが短すぎると信号が正しく処理されないこともある（毎年多いセットアップ・ミス）。　 15 ns a. b. 15 ns

3 “突き抜け”μ粒子に対しては,Startはかからない.
寿命測定のセットアップ 高エネルギー陽子 宇宙 大気 p π- π＋ “突き抜け”μ粒子に対しては,Startはかからない. μ- μ Start ストッパー Stop 突き抜け 光電子増倍管： シンチレータの発光を検出し、 電気信号を出力する シンチレータ： 荷電粒子が通過すると、 紫外光を発光する

4 μ粒子と物質の相互作用 μ粒子が十分なエネルギーをもって入射するとき： 電子は雲状に広がって分布しており、μ粒子は電子と反応する。
電子はμ粒子に比べて質量が小さい Me=0.511 MeV/c2、Mμ=106 MeV/c2 電子を弾き飛ば（原子をイオン化）したあともミュー粒子はエネルギーを失うだけでほとんど方向を変えずに突き進む。 弾性散乱

5 荷電粒子と物質の相互作用 x=ρd [g/cm2] 電磁相互作用(主にイオン化） 物質の厚さの単位はg/cm2
最小電離作用粒子(Minimum Ionizing Particle, MIP) 1cm 1cm ρ：密度 [g/cm3] x=ρd [g/cm2] d [cm] 荷電粒子が物質を通過する際のエネルギー損失-dE/dx（=物質に落とすエネルギー）は，μ粒子の場合~300MeV/cで最小．それ以上の運動量を持つ粒子では，ゆっくり上昇（あまり変わらない）．

6 プラスチックシンチレータ MIPによって物質へ落とされたエネルギーを可視光へと変換する
基材：ポリスチレン（C8H8)n，ポリビニルトルエンなど 密度：約1g/cm3 蛍光剤：p-ターフェニル（C１８H１４）など（～10g/ℓ） π軌道電子の準位 第一励起状態から基底状態へ落ちるときに発光 波長変換剤：紫外光→可視光（青色） 数eV⇒紫外光 時間：数n秒

7 光電子増倍管(PhotoMultiplier Tube; PMT)
可視光域の光子を検出し電気信号として出力 －１３００V～－２０００V 光電面で光電効果（光子→電子） 量子効率：～２５％ ダイノードで二次電子数を増幅 一段あたり２～３倍，１２段では,１０５～１０６倍 増幅率は印加電圧に依存 アノードで電荷を収集

8 今回の課題：HVカーブの測定 μ粒子を測定する際のバックグラウンド
光電子増倍管の熱ノイズ（熱電子） 光電子増倍管の光電面から、熱によって励起された電子（熱電子）が出てきて電気信号を出す。 環境放射線 大気中、地殻中（や建物の壁など）に含まれる放射性同位体が発する環境放射線でも、シンチレータは発光する。 これらのバックグラウンドをうまく落としながらデータをとるための工夫をする必要がある。

9 HVカーブ（検出効率のHV依存性）の測定
ディスクリミネータ PMT出力 GND 波高 Vth PMT出力 NIMパルス 荷電粒子（μ粒子）のMIP通過に対する信号の波高分布 PMT内部の熱電子等によるノイズの波高分布 波高は低いほど頻度が急激に増加 頻度 波高はほぼ一定 頻度 波高 波高

10 HVカーブの測定（２） 頻度 頻度 波高 波高 PMTの増幅率を調整する 増幅率（すなわちHV）を変更しつつ，MIP信号の検出効率を測定する
discriminatorのVthは 信号をできるだけ拾う ノイズをできるだけ落とす 位置にあるのが望ましい Vth HV：低 増幅率：小 頻度 Vth MIP 頻度 noise 波高 HV：高 増幅率：大 波高

11 検出効率測定のためのセットアップ N1 … カウンターTがMIP信号，またはノイズを検出した数 N2 …
discriminator scaler reference1 Vth=-50mV 測定対象 Vth=-50mV reference2 Vth=-50mV HV：調整 -2.0kV ~ -1.2kV HV：固定 初期値：-1.8kV N1 … カウンターTがMIP信号，またはノイズを検出した数 N2 … カウンターR1,R2が同時にMIP信号を検出した数．すなわちR1,R2の間に位置するTを荷電粒子が通過した数にほぼ等しい. N3 … カウンターR1,R2が同時にMIP信号を検出した時にカウンターTも同時に信号を検出した数.すなわち,Tを荷電粒子が通過したときにTがそれを検出した数にほぼ等しい.

12 プラトー(plateau)に達したところから50Vのマージンをとる.
計数率および検出効率のHV依存性 N1/Δt … MIP信号+ノイズの計数率(Rate[Hz]) 波高 頻度 MIP+noise 急激に増加 計数率[Hz] -1.2kV -2.0kV -HV N3/N2… 検出効率 50Vマージン 1 頻度 MIP プラトー 検出効率 波高 -1.2kV -HV -2.0kV プラトー(plateau)に達したところから50Vのマージンをとる.

13 測定データの統計誤差 事象数N … Poisson分布 N回試行してM回成功 … 二項分布 偶発事象 発生確率一定 成功確率pのとき
期待値（平均値）がμの時 μは，一般には不明．観測量であるNを母数μの推定値として使う（Nが大きいときは,ほぼ正しい） 計数率N1/Δtの統計誤差 N回試行してM回成功 …　二項分布 成功確率pのとき pは，一般には不明．観測量であるM/Nを母数pの推定値として使う（M,Nが大きいときは,ほぼ正しい） 検出効率εの統計誤差

14 PMT出力端子

15 高圧電源(REPIC RPH-030) 1~4chを選択 フロントパネル リアパネル
高圧ケーブルのタグを確認しHVのチャンネルとPMTとの対応を確認しておく. 1~4chを選択 モニターする量（電圧・電流・電流上限値）を切り替える スイッチは引きながら倒す メインスイッチ

16 測定結果の保存 各グループで、光電子増倍管3本に関して以下をプリントしておくこと： 検出効率のHV依存性 計数率のHV依存性

17 バックアップ

18 物質中を通過するμ粒子