μ-PICと光電子増倍管を用いた 放射線の三次元測定 2008年度課題研究P6 μ-PIC班 石神直大 澤野達哉 義川達人

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1 μ-PICと光電子増倍管を用いた 放射線の三次元測定 2008年度課題研究P6 μ-PIC班 石神直大 澤野達哉 義川達人
石神直大　　澤野達哉 　　義川達人 March 11, 2009

2 CONTENTS What is μ-PIC?（義川） Outline of our experiment（義川）
1st stage ~μ-PICと遊ぼう~（義川） 2nd stage ~2D-imaging入門~（義川、石神） 3rd stage ~3D-tracking&TPCmode~（石神） Final stage ~光トリガーへの道~（澤野） Conclusion（澤野）

3 1. What is μ-PIC? ・京都大学宇宙線研究室発のガス検出器 ・高い位置分解能 ・放電に対して安定 ・二次元画像装置
~400μm間隔 50μm ピクセル拡大図　　　 10cm (256ch) ドリフト面　　 検出面　　　 10cm(256ch)

4 μ-PIC、μTPCの動作原理（荷電粒子入射の場合）
ドリフト面 放射線 ASD (Cathode) 電子雲 電場 Anode 電子雪崩 Cathode (GND) ASD (Anode) 　 　Anode、Cathodeは256chずつ 　 　適当にsumしたアナログ情報＋各チャンネルのデジタル情報

5 2.Outline of our experiment 放射線がガスを電離する（信号②） →光が発生した時間
・現行のμTPC 　　ドリフト電子（信号①） 　　　　　　 →電子が到着した時間 ドリフト面 Ar+ Ar+ 光 Ar+ 光電子 増倍管 放射線が入ってきた場所までは分からない e- e- e- ） 信号② 時刻差 ） 時刻差 ・本実験の目標 　　放射線がガスを電離する（信号②）　　→光が発生した時間　　 電子雪崩 検出面 二つの信号から放射線の 絶対的な高さが分かる！ 信号①　　　

6 3. First stage～μ-PICと遊ぼう～
線源55Feと109Cdで スペクトル測定を行う -550V GEM 0V -550V 550V 5mm ・ガスフロー型 ・ガスはアルゴン（90％）-エタン（10％） ・ガスパッケージは5mm（GEMをドリフト面に代用） ・ドリフト面に-550V、検出面に0V 検出面 0V

7 Amplifier Shaper Discriminator
波形取得の概念図 data 32ストリップ （161ch～192ch） Flash ADC RPV160 S/N.001 GAIN AMPLIFIER MODEL 777 μ-PIC PreAmp (Anode) CR No.31 CR START PreAmp (Cathode) PC ASD(時定数16ns) Amplifier Shaper Discriminator VETO WANT INTERRUPTER RPV DISCRIMINATOR N-TM305 signal VETO GIVE discri read write delay ~800ｎs 遅らせる STOP DELAY MODEL794 PC veto discriminator disable

8 波形取得からスペクトルへ Area 電圧（mV） ベースラインを決定 時間（nsec）
480 Area 400 320 STOP 電圧（mV） ～800ｎs(Delay) 240 Threshold（Discri） 160 ベースラインを決定 80 100 200 300 400 500 600 700 800 900 時間（nsec） ①FADCで波形データ取得　②ベースライン決定　③Areaの取得　④ヒストグラム（by ROOT）

9 結果Ⅰ（スペクトル図） （ベースライン80mV） 5.9keV Escape 2.9keV CuKα 8.04keV 22.2keV
Background 5.9keV 109Cd 55Fe Escape 2.9keV CuKα 8.04keV 22.2keV （ベースライン80mV）

10 結果Ⅱ（エネルギー較正、分解能） E=ax+b a=9.09×10－3 b=－0.399 ・・・ 分解能(FWHM) エネルギー較正
2.96keV・・・36.0％ 5.90keV・・・31.9% 8.04keV・・・36.5% 22.2keV・・・29.7% E=ax+b a=9.09×10－3 b=－0.399 分解能はあまり良くない ・・・ ひどい放電はなかったものの 電流状況は芳しくなかった

11 結果：1400倍 μ-PICの増幅率（55Feの場合） ① ③ ② ④ ⑥ ⑤ GAIN AMP ASD
Ar+ e- ① ② ③ ④ ASD ⑤ GAIN AMP ⑥ PC ⑦ 電子雪崩 ①放射線入射(5.9keV) ↓ ②Arガスを電離 ③一次電子生成 (5900/26～220個) ④μ-PICによる増幅 （これを求めたい） ⑤PreAmpによる増幅 （既知：～700倍） ⑥GAIM AMPによる増幅 （設定：2×8倍） ⑦データ（～700ch） 結果：1400倍 ・Ar(90%)+C2H6(10%) ・ドリフト面に-550V 　検出面に0V

12 4. Second stage～2D-imaging入門～
Memory BoardとEncoderを用いた2D-imagingの原理 電子感知 X, Y, T Cathode Cathode threshold pulse ASD (Cathode) Anode Anode pulse ASD (Anode) μ-PIC Encoder Memory Board X,Y,(T) PC TPCモードは１００MHz

13 結果 鍵を置いてimagingに挑戦･･･果たして？ ？ First stageの放電対策の結果、有効検出面積が狭い

14 色々頑張ってみるものの、状況は改善せず・・・
新しいμ–PICで再挑戦 前回まではガスフロー型であったが、 この設備からはガス封じ切り容器となる 新設備 内部にマントルが設置されており、 その位置特定を2D-imagingで行う。 3D-trackingへ

15 ？ 封じ切り容器内部 Drift面 検出面 マントルがドリフト容器内の どこかに入っている 封じ切り容器(アルミニウム) μ-PIC31号
(上面テフロン5mm 側面テフロン10mm) μ-PIC31号 銅線 （側面に９本） （10M抵抗×10コ設置） ？ 10cm マントルがドリフト容器内の どこかに入っている 10cm 10cm

16 マントル ・ガスランタンの芯に使用される ・マントル中には、放射性物質であるトリウム（ 232Th ）が微量に含まれている マントルの写真

17 マントルの位置が分かった！！！！ このあたり Anode側 [cm] Cathode側 [cm]

18 5. Third stage～3D-tracking&TPCモード～
2D-imagingに”深さ”加えれば3Dになる！！ ・・・・・ ・Encoderから出力される時刻情報 　　　　　　　　　　　⇒電子が検出面へ到達した時刻 ・電子のドリフト速度 　距離＝時刻差×ドリフト速度 ドリフト速度は4.2cm/μsec （Ar(90%)-C2H6(10%)1atm、0.35kV/cm）

19 時刻情報と位置情報を組み合わせることで 飛跡のトラッキングができる！！ 3Dイメージングの原理 軌跡に沿って、次々と ガス分子を電離していく
放射線が ガス分子を電離 電離した電子は、電場によって 検出面まで一定速度でドリフトする 時刻情報と位置情報を組み合わせることで 飛跡のトラッキングができる！！ μーＰＩＣ面に電子が到達した時間 軌跡 T7 T5 T6 T3 T4 T2 T1

20 3D-trackingの図 10 10 Anode[cm] z[cm] 10 Cathode[cm] 10 Cathode[cm] 10
10 Cathode[cm] 10 Cathode[cm] 10 10 z[cm] 10 Anode[cm] Anode[cm] 10 Cathode[cm] 10

21 TPCモードでは、1イベントごとの波形と位置 データを同時に得ることができる
ＴＰＣモードは、波形取得と 通常の3D-trackingの組み合わせ TPCモードでは、1イベントごとの波形と位置　　　データを同時に得ることができる 　　個々の放射線について 　　エネルギーと飛距離の関係が議論できる

22 TPCモードの概念図 GAINAMP FADC INTER- RUPT Encoder PC DISCRIMINATOR μ-PIC
時定数2ns GAINAMP MODEL 777 preamp (Cathode) ×8ch DISCRIMINATOR N-TM305 μ-PIC preamp (Anode) FADC (rpv160) REPIC No.31 VETO OR HOSHIN N007 TRIG INTER- RUPT (rpv130) REPIC STOP Encoder LVDS←NIM GNN-231L RUN LVDS→NIM FPGA FIN 波形データ GNN-221L PC Memory Board 位置データ HE 2687

23 封じ切り容器 ASD HV＆波形取得のための機器 TPCモード設置図 エンコーダー

24 TPCモード出力例 3ch 8ch ～ Casode[cm] z[cm] Anode[cm] Cathode[cm] z[cm] z[cm]

25 マントルからのα線のエネルギーと飛距離の相関が
Ar90%+C2H610% 1atm by SRIM マントルからのα線のエネルギーと飛距離の相関が 上図のようになっていることを期待

26 相関は概ねシミュレーション結果に対応 散布図 ・飛程の長さ(path)とイベントの 電荷量の合計(area)の散布図を描く
Energy[MeV] Path[mm] counts 相関は概ねシミュレーション結果に対応 エネルギーのヒストグラムはよく分からない・・・・ 特にこの辺りが消える ・飛程の長さ(path)とイベントの 　電荷量の合計(area)の散布図を描く ・同時にpathとareaのヒストグラムも描く ・eventをマントル付近に限る ・飛跡がギザギザしているeventを除く （シミュレーションの結果を見てエネルギー較正）

27 6. Final Stage～光トリガーへの道～
従来のTPCの問題点 放射線飛跡の絶対的な 高さ情報が得られない 新しいTPCはPMTと連携して この問題を克服する

28 光生成の物理機構 封入したガスの励起分子が基底状態に 遷移するときにシンチレーション光を放出 Pure Arの場合
例えば、放射線である荷電粒子が ガス中を通過する際に励起される Energy 励起状態 Pure Arの場合 発光の平均波長は250nm 光 基底状態

29 PMT １と２の時間差から 高さを逆算 １ ２ シンチレーション光から高さ情報を得る 荷電粒子 ガス分子を 電離＋励起
放射線の入射時刻を取得 PMT １と２の時間差から 高さを逆算 ドリフト 検出面 ２ ドリフト電子雲の到達時刻を取得

30 光電子増倍管 R2238 浜松ホトニクス製 Anode側、Cathode側の対面側 計２か所に設置 ・管径：φ76 mm
・感度波長：300nm~650nm ・窓材質：ホウケイ酸ガラス ・光電面　種類：バイアルカリ ・感度波長ピーク：420nm ・最大定格電圧：1250V ・ゲイン：5.0E+05 Anode側、Cathode側の対面側 計２か所に設置

31 オシロスコープでPMTの信号を調べる μ-PICのアナログ信号 ドリフト電子の ＰＭＴの信号 なだれ増幅による光 1.3μsec
放射線入射時の光？

32 シンチレーション光の 解析方法 この時間差の 分布を調べる ＦＡＤＣでＰＭＴの信号を取得 ＴＰＣモードのときと 同じＤＡＱシステムを
PMT A シンチレーション光の 解析方法 PMT B ＦＡＤＣでＰＭＴの信号を取得 ＴＰＣモードのときと 同じＤＡＱシステムを 引き続き使用 雪崩増幅のシンチ光発生から 最大2.5μsまでさかのぼって PMTのピーク信号を探す この時間差の 分布を調べる

33 という条件(X-Y投影面)で抽出すると、
時刻差のヒストグラム Peak Time ～ １.８ μs イベントをマントル付近 という条件(X-Y投影面)で抽出すると、 よりpeakが際立つ 1.8 [μs] × 4.2 [cm/μs] ~ 7.6 [cm] 高さ7.6cm付近に 電子雲が多く生成 マントル位置も この辺りか？

34 放射線イメージング～3D ver.～ 最も明るい位置は （９９mm,９mm,７７mm） やはりマントルの高さは、 検出面から約８cmであろう
Y [mm] Y [mm] X [mm] Z [mm] 最も明るい位置は 　（９９mm,９mm,７７mm） Z [mm] やはりマントルの高さは、 検出面から約８cmであろう 次頁で答え合わせ X [mm]

35 比較 結果は大成功！ マントルの３次元位置を 正しく特定できた！ 実際のマントルの位置と比較 実際のマントルの位置は 検出面から8cmの高さ

36 光トリガーを用いた3D-tracking 飛跡を見るとマントルの サイズも再現できている Y [mm] Y [mm] X [mm]
Z [mm] Z [mm] Z [mm] X [mm] Y [mm] X [mm]

37 時刻差のヒストグラム 再考 線源に近い電子雲が 検出面に到達する 前回の時間差分布は 時間差の分布を調べる 線源の位置を与えない
時刻差のヒストグラム　再考 線源に近い電子雲が 検出面に到達する 時間差の分布を調べる 前回の時間差分布は 線源の位置を与えない このピークは線源の 位置を与える 線源 今回調べる時間差 前回調べた時間差 検出面 検出面に近いほうの時刻差をとる 線源に近いほうの時刻差をとる

38 高さは7.69cm±0.72cm 線源のコアの高さを定量的に評価 Fit with Gaussian Constant:3.16E+2
Mean:1.83E+2 Signa:1.73E+1 高さは7.69cm±0.72cm

39 A or B A and B B A プライマリ光の検出効率 24.9% 19.9% 24.2% 26.0% 30.2% 26.5%
放射線1イベントの 重心位置 VS プライマリ光の 検出効率 PMT:B Anode[mm] Cathode[mm] Efficiency % 各領域ごとの の検出効率 PMT:A 24.9% 19.9% 24.2% 26.0% 30.2% 26.5% 34.1% 37.8% 42.0% 2.8% 0.6% 1.3% 4.6% 1.6% 2.9% 2.0% 1.7% 61.8% 40.3% 51.6% 56.7% 55.0% 48.9% 53.1% 57.9% 57.6% 39.7% 21.1% 28.7% 35.3% 26.1% 24.0% 21.9% 22.1% 17.3% A or B A and B B A 全体的な検出効率 40~60％程度

40 7. Conclusion できたこと ・μ-PICを用いたエネルギースペクトルの取得 ・ガス増幅率の決定 ・2D-imaging
　・ガス増幅率の決定 　・2D-imaging 　・3D-tracking 　・放射線飛程とエネルギーの相関の確認 　・光トリガーを用いた3D-tracking及び3D-imaging 　・光トリガーの検出効率の計測 できなかったこと 　・TPCモードでのエネルギー較正

41 おしまい

42 予備スライド

43 ・1chは、(1/256)V×10nsに相当 ・FADCから得られるAreaは平均700ch程度 ∴ 1400倍

44 2D-imaging取得の概念図

45 Anode、Cathode位置対応 A8 　　Anode1とCathode1のケーブルを引っこ抜いてbgをとり、それぞれが図上のどの位置に対応するか確認。 　　　　　Anord1が下端 　　　　　Cathode1が左端に対応。 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C1 ~ C8

46 μ-PICの使用を開始した矢先、問題発生！
そもそも放電に伴うノイズのために 信号の読み取りができない 放電が止まらない・・・・・ 検出面 AnodeとCathodeが導通してしまい電流がバシバシ漏れる Anodeに実際に掛かる有効な電圧が減少 ゲインの低下 増幅率の減少 エネルギー分解能の低下

47 μ-PICにHVを供給する部分の抵抗（ジャンパー）
放電への対処 μ-PICにHVを供給する部分の抵抗（ジャンパー） を外して放電の影響を抑える μ-PICの特性である高い位置分解能は失われる・・・

48 ジャンパー外し CR基盤（Anode） ・ジャンパーとμ-PICのピクセルは１対１対応
・放電が起こっているピクセルのジャンパーを外すことで、読み取る際に放電の影響をカットできる ・ これにより、そのピクセルからの信号は入らなくなる ・なおメガ抵抗一つは１６個のジャンパーをまとめている メガ抵抗を外す　　　 その他は死んでいる状態 ここだけ生きている このメガ抵抗だけ生かす

49 ドリフト速度のsimulation

50 電子の到達した時間（T1～T7）が 飛跡の深さに関する情報となる ＋ ３D-tracking 2D-imaging 到達時間 ＆
ドリフト速度 ※ただし、放射線の進行方向はこの方法では特定できない 放射線の走る速度は十分に速く放射線による 一次電子は同時に作られると考えてよいために ３Dトラッキングが可能となる これで分かるのは二次元の位置と深さ情報だけである

51 放射線入射時に光が出る原理 ・放射線はガス中でエネルギーを失うが、これはガスの束縛電子とのCoulomb散乱によるものである（荷電粒子の場合） ・散乱の際にガス分子を励起し、シンチレーション光が出る。Pure Arだと紫外域よりも波長が短いが、エタンが混ざることで、紫外域にまで波長が伸びることが知られている。 ・今回使用したPMTの感度領域は300nm～650nm（紫外～可視光）であり、最大感度は420nmのところにある ・今回使用したガスのArは可視光領域の特性X線を持たない

52 内壁の電場形成 真空容器 全体像

53 ヒストグラム比較 ・FDACの入力チャンネル数は8ch ・2ch分を光トリガーに使用するため、μ-PICからのアナログ信号を2ch分捨てる
3~8chのsum 1~8chのsum ・FDACの入力チャンネル数は8ch ・2ch分を光トリガーに使用するため、μ-PICからのアナログ信号を2ch分捨てる ・chを捨ててもヒストグラムの形や位置は変わらない イベントをマントル付近に限定

54 変なやつがいる エンコーダーの仕様で、真縦に走るとこうなる？

55 Fittingの実際（Cdの場合）

56 Fittingの実際（Feの場合）

57 エネルギー分解能 vs. エネルギー

58 TPCモード概念図 FADC1 FADC2 Discri1 Discri2 FADCのうち、一番早いのがTRIGになる OR
INTR→ENCORD RUN VETO in 解除 VETO FADCstop 8μsec INTR 25μsec