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シンチレーション・カウンター

シンチレーション・カウンター. シンチレーションカウンターの理解 荷電粒子と物質の相互作用 プラスチックシンチレータ 光電子増倍管（ PMT) HV カーブの測定 検出効率の統計誤差 ライトリークテスト. 実験 Ⅲ 素粒子テーマ２回目. ディスクリミネータの出力パルス幅. 前回、ディスクリミネータのアウトプット・パルス幅を 15 ns に調整した。 パルス幅を再確認し、必要なら直すこと。 テキストには１５ ns と書いてあるが、これは下図ｂのことではないので注意。 パルスが短すぎると信号が正しく処理されないこともある（毎年多いセットアップ・ミス）。　.

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Presentation Transcript

  1. シンチレーション・カウンター • シンチレーションカウンターの理解 • 荷電粒子と物質の相互作用 • プラスチックシンチレータ • 光電子増倍管（PMT) • HVカーブの測定 • 検出効率の統計誤差 • ライトリークテスト 実験Ⅲ素粒子テーマ２回目

  2. ディスクリミネータの出力パルス幅 • 前回、ディスクリミネータのアウトプット・パルス幅を15 nsに調整した。 • パルス幅を再確認し、必要なら直すこと。 • テキストには１５nsと書いてあるが、これは下図ｂのことではないので注意。 • パルスが短すぎると信号が正しく処理されないこともある（毎年多いセットアップ・ミス）。　 15 ns a. b. 15 ns

  3. 寿命測定のセットアップ 高エネルギー陽子 宇宙 大気 p π- π＋ “突き抜け”μ粒子に対しては,Startはかからない. μ- μ Start ストッパー Stop 突き抜け 光電子増倍管： シンチレータの発光を検出し、 電気信号を出力する シンチレータ： 荷電粒子が通過すると、 紫外光を発光する

  4. μ粒子と物質の相互作用 • μ粒子が十分なエネルギーをもって入射するとき： • 電子は雲状に広がって分布しており、μ粒子は電子と反応する。 • 電子はμ粒子に比べて質量が小さい（Me=0.511 MeV/c2、Mμ=106 MeV/c2）ので、電子を弾き飛ばし（イオン化）たあともミュー粒子はエネルギーを失うだけでほとんど方向を変えずに突き進む。（弾性散乱）

  5. 荷電粒子と物質の相互作用 • 電磁相互作用(主にイオン化） • 物質の厚さの単位はg/cm2 • 最小電離作用粒子(Minimum Ionizing Particle, MIP) 1cm ρ：密度 [g/cm3] 1cm x=ρd [g/cm2] d [cm] 荷電粒子が物質を通過する際のエネルギー損失-dE/dx（=物質に落とすエネルギー）は，μ粒子の場合~300MeV/cで最小．それ以上の運動量を持つ粒子では，ゆっくり上昇（あまり変わらない）．

  6. プラスチックシンチレータ • MIPによって物質へ落とされたエネルギーを可視光へと変換する • 基材：ポリスチレン（C8H8)n，ポリビニルトルエンなど • 密度：約1g/cm3 • 蛍光剤：p-ターフェニル（C１８H１４）など（～10g/ℓ） • π軌道電子の準位 • 第一励起状態から基底状態へ落ちるときに発光 • 波長変換剤：紫外光→可視光（青色） 数eV⇒紫外光 時間：数n秒

  7. 光電子増倍管(PhotoMultiplier Tube; PMT) • 可視光域の光子を検出し電気信号として出力 －１３００V～－２０００V • 光電面で光電効果（光子→電子） • 量子効率：～２５％ • ダイノードで二次電子数を増幅 • 一段あたり２～３倍，１２段では,１０５～１０６倍 • 増幅率は印加電圧に依存 • アノードで電荷を収集

  8. 今回の課題：HVカーブの測定 • μ粒子を測定する際のバックグラウンド • 光電子増倍管の熱ノイズ（熱電子） • 光電子増倍管の光電面から、熱によって励起された電子（熱電子）が出てきて電気信号を出す。 • 環境放射線 • 大気中、地殻中（や建物の壁など）に含まれる放射性同位体が発する環境放射線でも、シンチレータは発光する。 • これらのバックグラウンドをうまく落としながらデータをとるための工夫をする必要がある。

  9. HVカーブ（検出効率のHV依存性）の測定 ディスクリミネータ PMT出力 GND 波高 Vth PMT出力 NIMパルス 荷電粒子（μ粒子）のMIP通過に対する信号の波高分布 PMT内部の熱電子等によるノイズの波高分布 波高は低いほど頻度が急激に増加 頻度 頻度 波高はほぼ一定 波高 波高

  10. HVカーブの測定（２） PMTの増幅率を調整する • 増幅率（すなわちHV）を変更しつつ，MIP信号の検出効率を測定する discriminatorのVthは • 信号をできるだけ拾う • ノイズをできるだけ落とす 位置にあるのが望ましい Vth HV：低 増幅率：小 頻度 Vth MIP 頻度 noise 波高 HV：高 増幅率：大 波高

  11. 検出効率測定のためのセットアップ discriminator scaler reference1 Vth=-50mV 測定対象 Vth=-50mV reference2 Vth=-50mV HV：調整 -2.0kV ~ -1.2kV HV：固定 初期値：-1.8kV

  12. 頻度 MIP+noise 波高 計数率および検出効率のHV依存性 急激に増加 計数率[Hz] -1.2kV -2.0kV -HV 50Vマージン 1 頻度 MIP プラトー 検出効率 0 -1.2kV -2.0kV -HV 波高 プラトー(plateau)に達したところから50Vのマージンをとる.

  13. 測定データの統計誤差 • 事象数N…Poisson分布 • 偶発事象 • 発生確率一定 • 期待値（平均値）がμの時 • μは，一般には不明．観測量であるNを母数μの推定値として使う（Nが大きいときは,ほぼ正しい） • 計数率N1/Δtの統計誤差 • N回試行してM回成功 …　二項分布 • 成功確率pのとき • pは，一般には不明．観測量であるM/Nを母数pの推定値として使う（M,Nが大きいときは,ほぼ正しい） • 検出効率εの統計誤差

  14. PMT出力端子

  15. 高圧電源(REPIC RPH-030) フロントパネル リアパネル 高圧ケーブルのタグを確認しHVのチャンネルとPMTとの対応を確認しておく. 1~4chを選択 モニターする量（電圧・電流・電流上限値）を切り替える スイッチは引きながら倒す メインスイッチ

  16. 測定結果の保存 • 各グループで、光電子増倍管3本に関して以下をプリントしておくこと： • 検出効率のHV依存性 • 計数率のHV依存性

  17. バックアップ

  18. 物質中を通過するμ粒子

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