宇宙線断層撮像プロジェクト Cosmic-Ray Computed Tomography Project

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1 宇宙線断層撮像プロジェクト Cosmic-Ray Computed Tomography Project
宇宙粒子研究室 2014/02/08

2 研究目的 二次宇宙線のミューオンや電子を用いて建物や地下の構造を調べる断層撮像装置を新しく開発する。
ミューオンは物質を貫通しやすい、電子は物質で吸収されやすいという性質を利用して、断層撮像の精度をさらに向上させる。

3 宇宙線断層撮像装置 e m X Y X’ Y’ 吸収物質 X’’ Y’’ 5cm x 75cm : 16 本 ４層 光検出器 電子回路系
コンピュータ

4 宇宙線断層撮像装置の原理 ミューオンは物質を貫通しやすい 電子は物質で吸収されやすい という性質を用いて、断層撮影の精度を向上させる e m
X ミューオンは物質を貫通しやすい 電子は物質で吸収されやすい という性質を用いて、断層撮影の精度を向上させる Y X’ Y’ 吸収物質 X’’ Y’’

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6 ミューオンによるコンピュータ断層撮像の例
ピラミッドを宇宙線で透視 ミューオン透視技術高度化プロジェクト （H23-H27） （東京大学地震研究所）

7 役割分担 宇宙線断層撮像装置の開発（１） 鴨 川 敦 樹 宇宙線断層撮像装置の開発（２） 大 道 玄 礼 空気シャワー粒子の横分布測定
宇宙線断層撮像装置の開発（１）　　　　　　　　 鴨　川　敦　樹 宇宙線断層撮像装置の開発（２）　　　　　　　　 大　道　玄　礼 空気シャワー粒子の横分布測定　　　　　　　　　 稲　垣　志　帆 空気シャワー粒子の横分布シミュレーション　　　 柳　澤　壽　利 物質中での電磁シャワーシュミレーション　　　　 田　中　大　地 物質中での空気シャワー粒子シミュレーション　　 石　田　哲　也 波長変換ファイバーの減衰長の測定　　　　　　　 久　下　祐　矢 紫外線ＬＥＤの特性測定　　　　　　　　　　　　 澤　田　晃　徳

8 空気の深さと宇宙線の成分 地上(1000g/cm2 )ではミューオンが一番多くなり、次に多いのは電子成分である。
Downward fluxes of the cosmic rays components. (A. M. Hillas, "Cosmic Rays", Pergamon Press, pg. 50). michele/cr/cr.html

9 宇宙線のエネルギースペクトル 詳細シミュレーション及び数学予測モデルによる ２００６年６月の東京における宇宙線スペクトル計算結果
EXPACSのホームページ 大気中の宇宙線強度を迅速、精緻に計算できるプログラムを開発

10 EXPACSによる宇宙線エネルギースペクトル

11 空気シャワー中の粒子のエネルギースペクトル
入射粒子 エネルギー：1019 eV 種類：陽子 入射天頂角：0゜, 60゜ 入射天頂角0゜の場合の平均的な粒子のエネルギーは ミューオン：　20 GeV 電子：　　　　 10 MeV ガンマ線：　 4 MeV 空気シャワー中の粒子の平均的なエネルギーは単発で捕えたときの粒子のエネルギーよりかなり高くなっている。 参考文献：　Extensive Air Showers, P.K.F. Grieder

12 PHITS 広いエネルギーを持つ各種の放射線を扱える汎用の粒子・重イオン輸送計算コード。
任意の体系中における陽子・中性子・重イオン・電子・光子などの挙動を，核反応モデル及びデータを用いて模擬することができます。 加速器工学、放射線医療、宇宙工学、また粒子と原子核の輸送現象に関係する多くの分野の研究をサポートします。

13 Lateral distributions of electrons
Fig. 2. Lateral distributions of electrons above a 5 MeV kinetic energy for zenith angles below 18°. The lines show NKG functions of fixed age parameter s =1:65 but varying scale radius re (see the text). T. Antoni et al. / Astroparticle Physics 14 (2001) 245±260

14 Lateral distribution of muons
Fig. 7. Lateral distribution of muons above 230 MeV kinetic energy measured with the array detectors. The lines indicate NKG functions fitted to the data. Error bars are of statistical nature including an uncertainty of 10% on the punch-through correction applied.

15 角度分解能 角度分解能 q 5cm 100cm q = tan -1 (2.5/100) = 1.4deg

16 各種シンチレータ シンチレータ 密度 屈折率 融点 感度 最大蛍光波長 減衰定数 潮解性 主なる用途 単位 g/cm3 - deg(C)
nm nsec NaI(Tl) 3.67 1.85 651 100 415 230 Yes g線, X線 CsI(Tl) 4.51 1.79 621 45 565 1000 g線, a線 CsI(Na) 1.84 85 420 630 CsI(Pure) 1.95 6 315 16 No CaF2(Eu) 3.18 1.44 1373 50 435 940 b線, X線 BaF2 4.89 1.49 1280 5, 16 210, 310 0.6, 620 g線, X線  (高速計測) CeF3 6.16 1.68 1460 7 300, 340 5, 30 g線 (高速計測) BGO(Bi4Ge3O12) 7.13 2.15 1050 12 480 300 g線, PET CdWO4 7.90 2.25 1300 40 540 5000 g線, X-CT GSO 1950 20-25 440 30-60 g線  (高エネルギー) LSO 7.35 1.82 1900 76 11, 36 g線 (高エネルギー) YAP(Ce) 5.55 1.93 1850 347 28 YAG(Ce) 5.37 1970 15 550 70 NE-102 (Plastic) 1.03 1.58 75 29 423 2.4 b線, Neutron CsF 4.64 1.48 390 3.5 LuAG:Ce 6.73 20 535 LiF(W) 2.64 1.40 860 430 40000 Neutron, g線 LiI(Eu) 4.08 1.96 446 30-35 470 1400 ZnS(Ag) 4.09 2.36 130 450 a線 PWO 8.28 2.16 930 0.26 2.1, 7.5, 26

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18 Absorption and Emission Spectra

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22 MRS Photodiode Coupling with Extruded Scintillator via Y7 and Y11 WLS Fibers
D. Beznosko, A. Dyshkant, C.K. Jung, C. McGrew, A. Pla-Dalmau, V. Rykalin

23 Scintillator detectors with long WLS fibers and multi-pixel photodiodes

24 Scintillator detectors with long WLS fibers and multi-pixel photodiodes

25 Surface Detector of TA Experiment
参考論文 T. Abu-Zayyad et al., "The surface detector array of the Telescope Array experiment", Nucl. Instrum. Methods A 689 (2012) 87-97 クラレ製のY-11(200)M,1.0mmD,5m,CSJという型番のファイバーを使っています。 >各ファイバーからは1mipあたり何pe程度PMTにくるのでしょうか？ １PMTあたり全部で約20p.e.です。1.2cm厚さで3平方メートルの面積のシンチか らの光を１ミリメートル直径のファイバー約100本で１PMTに集光しています。TA では１つの検出器に2層シンチがあります。

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29 Structure and Material of the Fiber
Round Fiber Square Fiber [Single cladding] [Multi cladding] [Single cladding] D Cladding Core Inner Cladding T Outer Cladding To Ti SQ Core Cladding T T=3% of D NA=0.55 Trapping Efficiency=4.2% T=3%(To)+3%(Ti) of =6% of D NA=0.72 Trapping Efficiency=5.4% T=3% of SQ

30 Transmission Mechanism of Multi Cladding Fiber
[Y-11 Multi cladding] Outer Cladding Single/Inner Cladding Blue Light Core ２６．７゜ ４５．７゜ Green Light ◆Multi cladding fiber has 50% higher light yield than single cladding fiber

31 Attenuation Length and Light Output (Measurement Method)
2 sample fibers of 3m for every spool Test Fiber (measures every 10 cm) 3m sample fiber

32 Individual Specifications
Attenuation Length Y-11(200) A.L. of all fibers > 3.5 The A.L. of every sample throughout the whole order RMS/Ave =< 10% example:Y D., non-S type with different concentrations