高分解能位置感応型 ファイバーシンチレーション検出器の開発

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1 高分解能位置感応型 ファイバーシンチレーション検出器の開発
埼玉大学大学院　理工学研究科 物理機能系専攻 宮澤　周

2 目次 背景（入射核破砕反応・粒子識別） 研究目的（高検出効率,高計数率高位置分解能をもつ位置検出器）
装置概要（ファイバーシンチレーションを用いた固体検出器） 実験内容（安定核ビームでのHVと収束・発散） 解析結果（位置分解能・検出効率・時間分解能） まとめと今後（装置の評価と問題点）

3 背景（入射核破砕反応） 原子核の種類に依らない物理的手法 前後で速度がほぼ等しい 運動量や放出角度の分散が小さい 陽子数 中性子数

4 粒子識別 反応標的 PPAC 150～260㎛

5 研究目的 新しい位置検出器の開発 中間エネルギー重イオンビームによる検出器の性能評価
角型ファイバーの配置を工夫し, 不感領域のない, 厚さ一様 のものを考案 高検出効率, 高計数率 高位置分解能 汎用検出器として重イオン/RIビーム実験への応用 中間エネルギー重イオンビームによる検出器の性能評価

6 装置概要 0.5mm角の角型ファイバーシンチレーション 64ch ×2層 (128ch) × XY面 (256ch)
有効面積 (45mm×45mm) beam beam 45mm

7 原理・構造 A層 B層 有効面積 ～80% ～100% 位置分解能 ファイバーの径 ファイバーの径以下が可能 検出可能 検出不可能
すべて検出可能 A層 A層通過距離 B層通過距離 B層 有効面積 ～80% ～100% 位置分解能 ファイバーの径 ファイバーの径以下が可能

8 読み出し BELT読み出し：連続する8chをまとめて読み出す STRIP読み出し：8chおきにまとめて読み出す STRIP読み出し
１～８ ９～１６ １７～２４ ５７～６４ 1,9,17,25,…57 2,10,18,26,...58 3,11,19,27,…59 8,16,24,32,…64 1 64 8チャンネル 光電子増倍管 R5900U-L16 STRIP読み出し BELT読み出し

9 読み出しと8本のPMTの略称 = = 8本のPMTからの信号を 読みだしている X方向A層BELT読み出し XAB
X方向A層STRIP読み出し XAS X層のPMTと読み出し = =

10 実験 実験施設：放医研（HIMAC） ビーム：56Fe (500MeV/u) カウントレート：100Hz SB2 F3 実験セットアップ
slit 実験セットアップ dipole magnet トリガー 検出器 PPAC Production target Quadrupole magnet 実験セットアップをここに ファイバー シンチレーション 検出器 Primary beam

11 解析 位置分解能 Step0：マルチプリシティ１の選択 （１事象当たりのアノード信号のHit数） Step1：64分割
時間分解能

12 位置分解能 Step0 : マルチプリシティ１の選択
マルチプリシティ（XAB） X方向A層 10⁵ 93% 10⁴ 6% 10³ 10² 10 1

13 Step1：64分割 検出可能領域 A層 A層B層 両方の信号を使う 検出不可能領域 A層 B層 720㎛

14 Step1 : 位置スペクトル 検出効率 98.8% 位置分解能 720㎛ 10⁴ 10³ 10² 10 1 X(mm)

15 Step2：256分割 全データをA,B,AB1,AB2の４つに場合分け

16 Step1-2 : 位置スペクトル 位置分解能180㎛(～237㎛) 検出効率98.8％ 位置分解能720㎛ 検出効率98.8％ Step2
10⁴ 10⁴ Step2 Step1 10³ 10³ 10² 10² 10 10 1 1 X(mm)

17 delay-line PPACと比較 BEAM ファイバーシンチレータとPPACの間にフィンガー
カウンターを挿入し,位置スペクトルを比較する 7mm ファイバー 10³ PPAC 2mm角 10³ BEAM 50mm 10² ファイバー フィンガー PPAC 10² 10 10 1 1 フィンガーカウンター X(mm)

18 Step3:発光量の位置依存性を 利用した分解能の向上
ビームの通過位置によって A層とB層での発光量が異なる QDC2次元スペクトル B層 (ch) 80 X面BELT読み出し 70 60 3 X 50 40 2 30 20 １ 10 A層

19 Step2-3 : 位置スペクトル 位置分解能180㎛(～237㎛) 検出効率98.8％ 位置分解能720㎛ 検出効率98.8％
位置分解能80㎛ 検出効率66.4％ マルチプリシティ1 　　A層かつB層 マルチプリシティ1 10⁴ 10⁴ Step2 Step1 Step3 10³ 10³ 10³ 10² 10² 10² 10 10 10 1 1 1 X(mm)

20 時間分解能 XABのTOF(ns) Hitしたもののみで平均を取る 2000 X層の4本のTOF XAB XAS XBB XBS 1500
1000 X層のPMTのHit数 1 0.35％ 2 47.7％ 3 13.7％ 4 37.6％ 0.62％ 500 (ns)

21 X層のTOFの平均値 Hit数2　σ=180ps 2500 47.7％ 2000 1500 1000 500 (ns)

22 検出器の性能 位置分解能 時間分解能 検出効率 Step2 180㎛ (～237㎛) 180ps～ ～98.9％ Step3(QDC利用)
～66.7％ delay-line-PPAC 150～260㎛ ～420ps ～99％ Si(ストリップ) ～500㎛ ～99%

23 性能評価 位置検出器として、位置分解能,時間分解能,検出効率 delay-line-PPACを超える性能を持つ
マルチプリシティ複数のデータの読み取りができな い 検出効率,A層B層両層を通過するデータの限界

24 まとめと今後 角型ファイバーシンチレーターを利用して新型の汎用位 置検出器を開発
放医研HIMACに於いて, 56Fe 500MeV/uによるビーム試 験を行った 位置分解能として最大80㎛を得た 検出効率として98%以上を得た 検出器の位置依存性は少ない 今後の課題 ハイビームレートでの試験 検出器の位置依存性の評価 位置分解能の定量化

25 終わり

26 マルチプリシティ1の具体的式 X層 マルチプリシティ（Hit数） XAB(1)∩XAS(1) or XBB(1) ∩XBS(1)
85.8％ XBB(1) ∩XBS(1) 79.7％ XAB(1)∩XAS(1)XBB(1) ∩XBS(1) 66.7％

27 X層のTOFの平均値 Hit数4 Hit数による場合分け Hit数2 1200 2500 2500 σ X Hit4 290ps
Y Hit4 230ps Y Hit2 280ps Hit数2　σ=180ps Hit数4　σ=290ps 2000 2000 800 Hit数4 Hit数による場合分け Hit数2 1500 1500 47.7% 1000 37.6% 1000 400 500 500 (ns) (ns)

28 TOFのHit数の分類 どうしてTOFはテールを引いているのか？ なぜHit数の違いにより、ピークの山やσが異なるのか？
XAB XAS XBB XBS % Hit数 3 XAB XAS XBB % XAS XBB XBS % Hit数 2 XAB XAS % XBB XBS %

29

30 Step2：～237㎛ ４つの場合分けの検出領域が均等であるか 分解能～237㎛ (720×33.9％) XA XB XAB1 XAB2
粒子の数の割合 19.1% 13.1% 32.8% 33.9%

31 A層かつB層のデータ A層のみ、B層のみのデータ

32 場所によって分解能が異なってしまう Step3：QDC利用 Step2：粒子の数の割合から幅(137㎛=720㎛×19.1％) XA XB XAB1 XAB2 粒子の数の割合 19.1% 13.1% 32.8% 33.9%

33 現実的にこのようにすべての領域の分布が一定であるこ とは考えにくい、下の図や、4つのスペクトルの様に、 機械工作的誤差から、場所によって幅が揺らぐ。
そのため、デフォーカスビームを電圧を変えて当て、全 ての場所について個別に補正。 また、電圧変化による依存性を定量的に求める。

34 XA XB XAB1 XAB2 19.1% 13.1% 32.8% 33.9%

35 位置分解能 X=230㎛ XA or XB=30% 位置分解能≃80㎛ X A層 0.35mm B層

36 R5900U-L16 Le Croy Bit COINCEDENCE Register LeCroy 3412 DISCRI XAB アノード1 AMP XAS Le Croy Bit COINCEDENCE Register XBB LeCroy 3412 DISCRI アノード2 AMP XBS YAB ・・・・ ・・・・ YAS YBB Le Croy Bit COINCEDENCE Register LeCroy 3412 DISCRI YBS アノード8 AMP 8ch共通 ダイノード AMP delay QDC

37 回路図 Le Croy 4448 48-Bit COINCEDENCE Register XAB アノード1 AMP DISCRI XAS
CRATE CONTROLER GATE XBB VETO 4 FOLD LOGIC STOP XBS GATE GENERATER 4 FOLD LOGIC YAB START YAS TRIGGER YBB YBS 8ch共通 ダイノード AMP delay QDC