MICE実験用Sci-Fiの性能評価 大阪大学理学部４年 松宮 亮平

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1 MICE実験用Sci-Fiの性能評価 大阪大学理学部４年 松宮 亮平
大阪大学理学部４年　松宮 亮平 （題）MICE実験用Sci-Fiの性能評価という題で、大阪大学の松宮が発表します。

2 INDEX イントロダクション Neutrino FactoryとMICE MICE用飛跡検出器(Sci-fiトラッカー)
光量とクロストーク 減衰長の測定 今後の予定 内容は以下のようになっています。 まず最初にイントロダクションとしてニュートリノファクトリーとMICEについて、 そしてMICE用飛跡検出器の候補のひとつであるSci-Fiトラッカーについて話します。 次にSci-Fiの性能評価として、 Sci-Fiの構造、光量とクロストーク、減衰長について話します。 最後に、今後の予定について話します。

3 Neutrino Factory μ→e νν Cooling ! 大強度・高エネルギー・高純度のニュートリノビーム
日本、ヨーロッパ、アメリカで計画中 ニュートリノ生成反応　 強度：1019 ～1021 muon decays per year ビームエネルギーＥν：最大 50 GeV Neutrino Factoryでの物理 ニュートリノ振動実験 深非弾性散乱実験(DIS) μ→e νν ニュートリノファクトリーは大強度・高エネルギー・高純度のニュートリノビームをつくろうという計画で、 日本、ヨーロッパ、アメリカで計画されています。 この計画では大強度のミューオンを加速しその後崩壊して生成されるニュートリノを使います。 右下にのせた図がヨーロッパ案のニュートリノファクトリーです。 この図の説明ですが、まず陽子を加速させターゲットにあてます。 そこで2次粒子としてパイオンが生成されその後崩壊してミューオンになります。 このミューオンを加速させていくわけですが、まずここで位相空間回転によりビームのエネルギーをそろえます。 ここでできるだけ効率よくミューオンを加速させるために、ビームを冷却してエミッタンスを小さくする必要があります。 大強度のニュートリノが生成できればニュートリノ振動実験やニュートリノによる深非弾性散乱実験に大きく貢献できます。 Cooling ! 効率よくミューオンを加速させるためにミューオンビームのエミッタンスを小さくする(cooling)必要がある ヨーロッパ方式

4 MICE(Muon Ionization Cooling Experiment)
イオン化冷却法 ビーム冷却法のひとつ これまで実験されたことがない MICE ミューオンのエネルギーＥμ＝２００ＭｅＶ 冷却前後に配置されたトラッカーでエミッタンスを測定 3段でエミッタンスを１０％減少させ１％程度の精度で測定 MICEによりイオン化冷却法を実証 減速材で全運動量を落とし進行 方向に加速して並行ビームにして エミッタンスの縮小を行う ビーム冷却法のひとつにイオン化冷却法があります。 イオン化冷却法では、ビームのエミッタンスを小さくするために、 「まずイオンを減速させた後、目的の方向に加速する」 方法を用います。 それを図示したのが右の図で、この図では、減速材と加速装置を交互に置き、中を通過するミューオンが 減速・加速を繰り返すことで次第にエミッタンスを縮小させていく様子が表されています。 このイオン化冷却は今まで実施されたことがなく、これを実際に行おうというのがMICEです。 MICEでは、減速材・加速装置の両側に、エミッタンスを測定するトラッカーが配置されています。 減速材（液体水素） 超伝導ソレノイド（５Ｔ） トラッカー ＲＦ加速空胴（２００ＭＨｚ） [ エミッタンス測定 ] 日,英,米の国際共同実験 ２００６年＠RAL

5 MICE用トラッカー 位置検出器を磁場中に置いてそこを螺旋軌道で進むビームの 飛跡を再構成することでエミッタンスを測定する
トラッカーに要求される条件 エミッタンスを0.1％程度の精度で測定する （多重散乱の効果を抑えるため各面の厚さを輻射長の0.4%程度） 高周波加速空洞からの２次電子やＸ線などの高バックグラウンド の下で安定に動作する さて、ここからはMICE用トラッカー、飛跡検出器の話に移ります。 このトラッカーは、磁場中に置かれ、そこを螺旋起動ですすむビームの飛跡を再構成することで エミッタンスを測定します。 上の図は粒子がトラッカー内を通過する様子をあらわしています。 このトラッカーに要求される条件は、まず、 測定を１％以下で行なうためトラッカー部分での多重散乱の効果を入れると厚さを放射長の0.4%以下でなければならない。 もうひとつは、 トラッカーに隣接する高周波加速空洞からやってくる２次電子やX線などのバックグラウンドの下で 安定に動作するということです。 これらの条件を満たすトラッカーの候補のひとつとして、シンチレーティングファイバーがあります。 シンチレーティングファイバー （Sci-Fi）トラッカーが候補のひとつ

6 Sci-Fiトラッカー ファイバーは350μm径のものを使用する ことで、多重散乱の影響を抑える 径が小さいので発光量が少ない
　ことで、多重散乱の影響を抑える 径が小さいので発光量が少ない 検出効率を上げるため 高い量子効率の光検出器を使用 →VLPC (Visible Light Photon Counter） 　感度領域～500nm 　　　得られた光の波長を500nm付近まで 　　　変換する必要がある Sci-Fiステーション クリアファイバー この左の図が計画されているSci-fiトラッカーです。 この円筒の中をミューオンビームが通過します。 円筒内にはSci-Fiステーションと呼ばれる直系３０ｃｍの円盤が５つあり、 シンチレーティングファイバー、Sci-Fiが備え付けられています。 粒子はSci-Fiステーションを通過するときに発光し、その光をトラッカーの まわりに備え付けられたクリアファイバーで光検出器まで運びます。 このSci-Fiですが、 まず、ファイバー径については３５０ミクロンのものを用いることで 多重散乱の効果を抑えます。 また、このような細いシンチレーターでは発光量が小さいので、 検出するには高い量子効率をもつVLPCという光検出器を使用し、 検出制度を上げるようにします。 そこで必要になってくるのが、シンチレーション光をVLPCの感度領域で ある５００nmまで波長をシフトさせるということです。 波長シフトについての説明は次に譲るとして、Sci-Fiトラッカーの実物の 写真をいくつか紹介します。 （ぶつぶつ） 光検出器へ

7 組み立て中の Sci-Fiトラッカー Sci-Fiステーション（円盤） クリアファイバーで 光を運ぶ

8 Sci-Fi ステーション Sci-Fiを張り巡らせる Sci-Fiを曲げて コネクタに集める

9 ３HFファイバーとクリアファイバーをつなぐコネクタ
ファイバーを通してある

10 Sci-Fiの性能評価 Sci-Fiの構造 3HFファイバーは図のような多層構造をしている D
Outer Cladding(FP) Inner Cladding (PMMA) クラッドが二重になっているものを を Multi Cladding という（一重の ものは Single Cladding） 各クラッドの厚さは全径Dの３％ Core(PS) D さて、ここからはSci-Fiについての説明になります。 まず、Sci-Fiの構造ですが、MICEで用いるファイバーはこの図のような構造をしています。 ポリスチレンでできたコアを、２層のクラッドが覆っていて、マルチクラッドと呼びます。 １層のクラッドで覆われたシングルクラッドというものがありますが、マルチクラッドの場合、 シングルクラッドより全反射角が広いので、より多くの光を外に逃がさず、捕まえることができます。 マルチクラッドのファイバーはシングルクラッドより全反射 角が広い ⇒ より多くの光量が得られる

11 Sci-Fiの性能評価 波長シフト 蛍光体によって光検出器の感度波長まで波長をシフトさせる クラッド コア VLPCの感度領域 1次蛍光
ポリスチレン １次蛍光体(pT) 2次蛍光体(3HF) λ=250nm 350nm 530nm 1次蛍光 ２次蛍光 コア クラッド （左）ｐTの吸収・発 　　　光スペクトル （右）３HFの吸収・発 次に、波長シフトの話に移ります。 この図は、Sci-Fiの断面を記したものですが、 ファイバーを粒子が通過すると、ポリスチレンが発光して波長２５０ｎｍ程度の光が出ます。 これを波長５００ｎｍ程度までシフトするわけですが、Sci-Fiはそのために２種の蛍光体を混ぜて あります。一つ目の蛍光体がｐTで、スペクトルを見ると、２８０ｎｍ付近に吸光ピークを持ち、 ３５０ｎｍ付近に発光ピークがあります。これにより、ポリスチレンからの光を波長３５０ｎｍ 程度まで伸ばします。この１次蛍光を、２つ目の蛍光体、３HFによって５３０ｎｍまで伸ばします。 舌のスペクトルを見ると、吸光ピークが３５０ｎｍ、発光ピークが５３０ｎｍ付近にあることが分かります。 このようにして、VLPCの感度領域まで波長を伸ばすことができます。 また、このファイバーのように、２次蛍光体に３HFを用いたものを、３HFファイバーと呼んでいます。

12 Sci-Fiの性能評価 ①光量とクロストーク ３HF濃度による光量の違い より多くの光量が得られる３HF濃度を調べる
以下の４種について実験済 　　① 径 0.35mm / pT + 3HF(2500ppm) 　　② 径 0.35mm / pT + 3HF(3500ppm) 　　③ 径 0.35mm / pT + 3HF(5000ppm) 　　④ 径 0.35mm / 5000ppm only ⇒③のpT + 3HF(5000ppm) が一番光量が多い さて、その３HFファイバーの性能評価について説明します。 まず一つ目に、光量とクロストークについてです。 まず、３HFの濃度によって光量がどう変化するか。 これは径０．３５ｍｍについて下の４種類がすでに実験済みであり、③の１次蛍光体 と５０００ｐｐｍがもっとも光量が多いことが分かっています。 次にクロストークです。クロストークが発生すると、粒子の正確な秘蹟がわからなくなります。 これについては、MICEで用いるファイバーでは、クロストークが発生しないことが確かめられています。 クロストーク クロストークが生じると、粒子の正確な飛跡が分から　 　なくなる ⇒クロストークは発生していないことを実験で確認

13 Sci-Fiの性能評価 ②減衰長の測定 － セットアップ ファイバー上の各点での光量を測定し、距離との関係を求める。 暗箱
（左）セットアップ図 Clock Generator でLEDへの入力 波形とトリガーを生成 LEDを動かし、各点でのADCデー タを取得する LEDは波長395nmのUV.LEDを 使用する。 暗箱 ３HFファイバー（約５ｍ） PMT　(H ) ０ ｘ LED NIM to TTL Gate Generator AMP 次に、減衰長がどの程度か、調べる必要があり、こちらは今実験をして調べています。 左の図がセットアップの概観で、暗箱の中にPMTとファイバーがあります。 これにLEDを用いて光を入れ、PMTからの距離によって得られる光量がどう変化するかを 見ます。 LEDへの入力波形とトリガーはクロックジェネレーターによって生成します。 また、PMTからの波形はAMPを通してADCに入るようになっています。 このようにして各点でのADCのスペクトルをとり、光量の変化を追跡します。 また、LEDは、今回は波長３９５ｎｍのUV.LEDを使用しました。 Clock Generator FAN IN/FAN OUT CAMAC PC

14 Sci-Fiの性能評価 ②減衰長の測定 － セットアップ LED LED 光源（LED）の固定用架台周辺図 ファイバー ファイバーを通す溝
（もぐもぐ） ファイバー ファイバーを通す溝

15 Sci-Fiの性能評価 ②減衰長の測定 － ADC分布 左は x= 0, 1, 2 [m] で取ったADCの
　スペクトルを並べたもの。距離が長く 　なるに従い mean が小さくなってい 　くのが分かる。 使用した３HFファイバーは 直径 / 0.35mm 3HF濃度 / 5000ppm pT無し 全長 / 約５ｍ 　のものである。 ADC Data @0[m] ADC Data @1[m] さて、実際に基準点０ｍから２ｍまでで光量の変化を調べてみました。 ０～１ｍまでは１０ｃｍごと、１～２ｍまでは２０ｃｍごとにADCを取っています。 左は０，１，２ｍの各点でのADCスペクトルで、距離が長くなるにつれて、分布の ピークが小さくなっていることが分かります。 なお、使用したファイバーは･･･です。 ADC Data @2[m]

16 Sci-Fiの性能評価 ②減衰長の測定 － 測定結果 各位置での ADC mean （からペデス タルを指し引いた値）を対数グラフ上
　タルを指し引いた値）を対数グラフ上 　にプロットした フィッティング関数 減衰長には早く減衰するものと ゆっくりと減衰するものの２つ がある　 測定した結果を対数グラフに表示したものが左です。 ADCのmeanからペデスタルを指し引いた値をプロットしています。 フィッティング関数は･･･を用いました。 一般に、減衰長には、長いものと短いものがあります。 見てのとおり、結果はあまり正確なものではなく、特に基準点近くでの振る舞い がはっきりしません。 これについては、今後実験方法の改良が求められます。 ファイバー長と光量の変化

17 今後の予定 より正確な減衰長の測定 他の濃度、径の３ＨＦファイバーの減衰長の測定 経年変化の測定
ＭＩＣＥと同じ状態（ファイバーを曲げた状態）を作り、 長期間に渡って光量の変化をモニターする MICEで得られる光電子数を予想 MICEでは、PMTの代わりにより量子効率の高いVLPC を用いる。そこで、ビームテストの結果と、SCi-Fiの性 能、およびビームテストで用いたPMTの量子効率から、 MICEで得られる光電子数を予想する。 最後に、今後の予定です。 （もぐもぐ）