μ-PICによる高速中性子線イメージング

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1 μ-PICによる高速中性子線イメージング
２００９年度課題研究P6 μ-PIC班 μ-PICによる高速中性子線イメージング 栗本真志　 松岡佳大

2 本実験の目的 μ-PICのガス+GEM増幅率を調べ、μ-PICの扱いに慣れる 高速中性子による放射線の軌跡を見る
　二次元イメージング、三次元トラッキング

3 目次 1 μ-PICについて 2 エネルギー較正・ガス増幅率 3 二次元イメージング ① channelと位置の対応
2　エネルギー較正・ガス増幅率 3　二次元イメージング 　　　①　channelと位置の対応 　　　②　n-p散乱の軌跡と散乱角 4　おまけ　三次元トラッキング 5 まとめ　

4 1. μ-PICついて

5 μ-PICとは？ ピクセル型ガス検出器 二次元画像を高い位置分解能で取得 放電に対して安定 10cm(256ch) 10cm(256ch)
比例計数管

6 μ-PICの検出原理 Drift plane 放射線 カソード アノード 雪崩増幅 ASD (カソード) 電子雲 ASD (アノード)
400μm 50μm

7 ガス封じ切り容器(Aｌ) Ar:C2H6　=　92.26:7.74 ASD カソード ASD(Amplifier Shaper Discriminator) アノード

8 ガス + GEM 増幅装置 １４０μｍ Drift Plane GEM μ-PIC ポリイミド(絶縁体) 5μm Cuコーティング 70μm
-3220V -600V GEM -300V 0V μ-PIC

9 2　エネルギー較正 ガス増幅率

10 μ-PICのエネルギー較正 まずは、μ-PICの増幅率を調べる 線源 109Cd,133Ba アノードASD 256ch→4つに束ねる
・・・ 線源　109Cd,133Ba アノードASD 256ch→4つに束ねる アノード電圧　410V~425Vで調べる 以下では代表で 415V ch0 について 0ch 255ch 64chずつ束ねる 0ch 1ch 2ch 3ch

11 FADCの波形から電荷量を求める Base Line(1600ns) Area (Charge) 電圧（mV）
三点以上連続してThresholdを超えたもののみを抽出（program） ~7mV下に Threshold(program) STOP DiscriminatorのThreshold Deｌay ~8μsec 時間 (nsec)

12 ヒストグラム (133Ba) Mean 97±6.0 Sigma ±4.61 Charge(pC)

13 ヒストグラム (109Cd) Mean ±3.66 Sigma ±2.601 Charge(pC)

14 エネルギー較正 Charge (pC) keV

15 増幅率の求め方 増幅率は約3000 アノード 415V ch0 の場合 Ar+C2H6のW値 23.6 eV
　　　　　エネルギーと電荷の比例関係 pC/keV 　　　　素電荷量 ×10-7 pC 全体の増幅率 ASDの増幅率 　　　　　　　　160（既知） ∴μ-PIC+GEMの増幅率 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　4.82×105/160=3.01×103 増幅率は約3000

16 ｃhごとの増幅率 増幅率 アノード電圧（V）

17 ゲイン補正 ｃｈごとの増幅率を用いて、1イベントの全エネルギースペクトルを求めた (SUM) ch0 ch1 ch2 ch3
イベントごとにそれぞれ増幅率を加味して足し合わせる

18 SUMデータ ゲイン補正有

19 SUMデータ ゲイン補正無 エネルギー較正 Charge(pC) Energy(kev)

20 SUMデータ ゲイン補正無

21 133Ba ゲイン補正前 mean:29.59±1.55 sigma: 6.614±1.682 分解能（FWHM)
=(2.355×6.614/29.59)×100 =52.6% ゲイン補正後 mean:29.24±1.41 ｓigma:5.917±1.571 分解能（FWHM） =（2.355×5.917/29.24)×100 =47.7% 133Ba

22 109Cd ゲイン補正前 mean:23.95±1.02 sigma:3.332±0.914 分解能（FWHM）
= (2.355×3.332/23.95)×100 =32.8% ゲイン補正後 mean: 22.8±1.2 sigma:2.766±1.022 分解能（FWHM）=(2.355×2.766/22.8)×100 =28.6% 109Cd

23 3　二次元イメージング ①　channelと位置の対応

24 二次元イメージング（Xray mode) Clear Encoder Board（X-ray mode） Memory μ-PIC
ASD 常時送り続ける 一定時間後 Clear ASD threshold PC pulse ASD (Cathode) pulse ( x , y ) の 256 , 256 channel ＋ clock値（約2msec 単位） ASD (Anode)

25 133Baによるイメージング

26 μ-PICの位置の調査 ガス封じ切り容器の中でμ-PICがどの位置にあるのかを調べた ガス封じ切り容器 μ-PIC(この位置を調べる)
10cm 18cm ガス封じ切り容器 μ-PIC(この位置を調べる)

27 133Ba線源 鉛 X方向(アノード側)6.5-7.5cmのとき アノード カソード y(cm) カソード 6.5 7.5 x(cm)
Mean ±0.25 Sigma 23±0.2 channel y(cm) X方向(アノード側) cmのとき カソード x(cm) アノード

28 Anode_channel X方向(アノード側)の位置 Y方向(カソード側)の位置

29 中央より左上に少しずれていたことが確認できた。
約10cm 18cm カソード側 3.153cm 4.52cm 18cm アノード側 中央より左上に少しずれていたことが確認できた。

30 3　二次元イメージング ② n-p散乱の軌跡と散乱角

31 高速中性子線から、電子雲生成までの過程 ＋ 高速中性子 陽子（水素原子核） 弾性衝突 ＋

32 Xray mode (x,y)情報 + clock数 (約2msec単位) X Y clock ・ ・ 　　 ・

33 252Cf 9cm n 5cm 例 15データ分 Setup

34 d < 0.1 cm 散乱角 例　先ほどのデータより　OK(左) 　　NG(右)

35 θ

36 cosθ

37 σ 中性子ー陽子散乱のシミュレーション v = 1 / n λ λ = 1 / (n ・ σ) = 2 x 104 (cm)
1.散乱までの距離について σ λ v = 1 / n Ar : C2H6= Balance : 7.74% 標準状態1molの体積 = (cm3) 陽子個数密度 n (個/cm3) = x 1023 x x 6 / = 1.25 x 1019 (個/cm3) 散乱断面積 σ (cm2) (En = 1MeVに対して) = 4 (barn) = 4 x (cm2) λ = 1 / (n ・ σ) = 2 x 104 (cm)

38 分布関数 乱数Random [0,1] に対して λ = 2x104 を満たす r を求める。 0~10cmで衝突する確率は 約 0.05％
　　　　約 0.05％ slopeの逆数がほぼ 2x104

39 2.散乱角の大きさについて 実験室系 n p θ 陽子 (静止) 反跳陽子 　　　(ER) 入射中性子 (En) 重心系 n p Θ

40 P(ER)については が成り立つ エネルギー分布 P(ER) ER

41 cosθの分布 cosΘ cosθ cosθ

42 注. ERが小さすぎると、検出できない + Enにも分布がある T = 1.42 (MeV):文献値

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44 ERと散乱角の分布 Eｎ最大が10MeVなので境界線は

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50 4　おまけ 　三次元トラッキング

51 TPC mode ・Xray mode + Discriminatorからのトリガ信号
・ x , y , clock (10nsec単位) , FADC波形 clock情報からは、プロット間の相対的な高さが得られる。

52 y(channel） x(channel） 3 z(clock) 2 2 3 １ １ y(channel） x(channel） z(clock) 3 2 １ １ 2 3

53 x(channel） z(clock) 35 22 clock = 220ns 13 8 clock = 80ns 5 128 133 147 5 clock = 80ns 14 clock = 224ns

54 まとめ ・ ガス増幅率 ゲイン補正 二次元イメージング 位置 n-p散乱 ・三次元トラッキング 電圧との関係 分解能の向上
　　　　位置 　　　 n-p散乱 ・三次元トラッキング 電圧との関係 分解能の向上 channelとの対応 散乱角の分布 FADCとENCORDERの相関

55 おしまい

56 予備スライド

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58 エネルギー較正 １０９Cdと１３３Baでfitting Anodeは415V ch0 ch1 ch2 ch3 電荷（pC) 電荷（pC)
エネルギー(keV) 電荷（pC) 電荷（pC) ch2 ch3

59 増幅率の求め方 増幅率は約２３００ Anode415V、109Cｄと133Baのch0の場合で考える Ar+C2H6のW値は23.6eV
エネルギーと電荷の関係を表したエネルギー較正（前ページ）の傾きが2.527(pC/keV) 素電荷量が1.60×10-7pC よって全体の増幅率は ASDの増幅率が160（既知）としてμ-PIC+GEMの増幅率は 　3.72×105/160=2.33×103 増幅率は約２３００

60 ｃhごとの増幅率 増幅率 Anode電圧（V）

61 Gain補正 ｃｈごとにfittingした増幅率を用いて、eventごとに全ｃｈ足し合わせたエネルギースペクトルを求めた（Anodeは415V） ch0 ch1 ch2 ch3 eventごとにそれぞれ増幅率を加味して足し合わせる

62 eventごとのsumデータ（Gain補正無し）
エネルギー較正

63 Gain補正なしでsumデータのエネルギー較正

64 eventごとのsumデータ(Gain補正後)

65 133Ba Gain補正前 mean:29.32±5.02 sigma: 11.72±4.75 分解能（FWHM)
=(2.355×11.72/29.32)×100 =94.1% Gain補正後 mean:30.69±3.02 sigma:9.561±3.218 分解能（FWHM） =（2.355×9.561/30.69)×100 =73.4% 133Ba

66 109Cd Gain補正前 mean:21.41±3.71 sigma: 6.42±2.72 分解能（FWHM）
= (2.355×6.42/21.42)×100 =70.6% Gain補正後 mean:21.17±3.26 sigma:5.697±2.668 分解能（FWHM）=(2.355×5.697/21.17)×100 =63.2% 109Cd

67 エネルギー較正の方法について 例 ch2について meanに対する誤差は10%くらいですが、 ⊿meanは
その誤差が　（ ）1/2　=　9.40 で大体　(9.40/10.26)x100=91.62%　となり、このせいで最終的な増幅率の誤差も大きくなるのですが。 要するに傾きの誤差が大きいので

68 ・補足. P(ER)について まず、重心系での微分散乱断面積 σ = σ(Θ) を考え、 σs :全散乱断面積　 , を用いて 特に、n – p 散乱では、 σ(Θ) が一定で σs/4π となるので、　　

69 シミュレーション確認用グラフ１ 　　　cosΘ 　　　ER/En 　　　cosΘ

70 シミュレーション確認用グラフ２ 　　　cosθ 　　　ER/En 　　　cosθ

71 シミュレーション確認用グラフ３ ’ cosθ vs cosθ’ cosθ cosθ’

72 cosθの分布 cosΘ cosθ cosθ

73 代わりに、かなり強引ですが、 P(E)∝E としてやると、
ER/Enを>0.8でソートすると、cosθ = 0.9あたりでバッサリ切れます・・・ 代わりに、かなり強引ですが、 P(E)∝E としてやると、

74 P(E)∝E cosθの分布

75 として Random を[0,1]でふってやり、散乱角（仰角）を求め、 また、方位角は[0,2π]でふってやり、求める。
中性子がz軸に沿って入射したとして、極座標(r,θ,φ)で散乱方向を考える として Random を[0,1]でふってやり、散乱角（仰角）を求め、 また、方位角は[0,2π]でふってやり、求める。 cosθ の分布 cosθ

76 さらに、この (θ,φ) で与えられる方向を、y-z平面（Xray modeにおけるx-y平面）に射影し、新たに散乱角 θ´ を定める。
cosθ´ cosθ´

77 測定データと、シミュレーションデータ シミュレーションも同じ個数だけデータを取り、比べてみる。 cosθ

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81 線源は252Cfを使用 α崩壊：96.91% 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 自発的核分裂：3.09% 密閉容器をα粒子は透過できない 中性子線が主に観測される

82 FADCの波形から電荷量を求める Base Line(1600ns) Area (Charge) 電圧（mV） STOP
DiscriminatorのThreshold Deｌay ~8μs 時間 (nsec)

83 ヒストグラム (109Cd) アノードは４１５V(0ch) Charge(pC)