GEMを使った 中性子画像検出器の開発

GEMを用いた検出器の開発

千葉研究室

修士

2年

杉山史憲

発表の流れ

・研究目的

・

GEMを用いた中性子画像検出器の原理

・基本特性

・ビームテスト

・今後の実験

研究目的

1.中性子検出の必要性

2.中性子捕獲

中性子で見た構造 X線で見た構造 たんぱく質 (ミオグロビン)の構造 ●窒素 ●炭素 ○酸素 ●水素

中性子検出の必要性

・中性子の特徴

-スピンが1/2 -電荷がゼロ

構造解析

・中性子の波動性を用いた構造解析

-ＴＯＦ法を用いる弾性散乱の実験

中性子検出の必要性

位置情報に加えて時間情報も必要

位置と時間に対し高い分解能を持つ

検出器が求められている

中性子捕獲

7 4 10 1 3 2 5 0 _{7 4} 3 2 6 1 3 4 3 0 1 2 3 1 3 1 2 0 1 1

2.792

2.310

4.78

0.765

Li

MeV

B

n

Li

MeV

Li

n

H

MeV

He

n

H

p

MeV

α

α

α

∗

⎧

+

+

+

_{→ ⎨}

+

+

⎩

+

→

+

+

+

→

+

+

3

_{He カウンター}

3840b 940b 5330b

～

3

He カウンター～

・特徴

-高価な3Heガスを使用 -封じきり -検出効率 50%~100% -γ線に対して低感度

・問題点

-高価であり、材料に制約がある -位置分解能は良くない 5mm~1cm程度 -高いレートに耐えられない

現在の中性子検出器

GEMを用いた

中性子画像検出器の原理

1.GEMの原理

2.GEMを用いた中性子検出の原理

3.チェンバー内構造

GEMの原理

・

GEM(Gas Electron Multiplier)とは？

-粒子の位置や時間を測定する検出器 -右の写真が実際に実験で 使用しているGEMフォイル -このGEMフォイルをガスを 充填させたチェンバー内に 組み込んで実験する 10cm 10cm

・原理

-GEMフォイルの上側と下側に 異なる電位をかけることで、電場を 発生させる

GEMの原理

14 0 μ_m 50 μm 5 μm 5 μm Cu Polyimide

・原理

-GEMフォイルの上側と下側に 異なる電位をかけることで、電場を 発生させる -チェンバー内に入ってきた粒子と ガス分子が衝突してイオン化 -電場に沿って電子が移動し 穴の部分でガス増幅

GEMの原理

GEMを用いた中性子検出器の

原理

・

GEMに

10

Bを蒸着させる

7 4 10 1 3 2 5 0 _{7 4} 3 2

2.792

2.310

Li

MeV

B

n

Li

MeV

α

α

∗

⎧

+

+

+

_{→ ⎨}

+

+

⎩

94% 6% 7 7 3

Li

3

Li

0.48

MeV

( )

γ

∗

_→

₊

4

_{He or}

7

_Li

熱中性子 10_B Polyimide 4

_{He or}

7

_Li

GEMを用いた中性子検出器の

原理

・

GEMに

10

Bを蒸着させる

-中性子と10_{Bが反応してα粒子を生成} -α粒子とチェンバー内のガス分子が衝突して電子を生成 -電子が電場に沿って ドリフト -電子が読み出し基盤で 読み出される 熱中性子 4

_{He or}

7

_Li

10_B Polyimide 4

_{He or}

7

_Li

チェンバー内構造

電子変換部 電子増幅部

利点

GEM1-B GEM2-B GEM3-Cu Ar-CO2 gas 2 mm 1 mm 1 mm 1 mm 読み出し基盤 ｎ α (実際は８枚) ・高価な3_Heガスが いらない ・高い位置分解能、 時間分解能が得られる ・γ線に対して低感度 セットアップ例 E_D =1.5kV/cm ΔV_GEM =233V(B-GEM) E_T =1.5kV/cm（B-GEM間） ΔV_GEM =520V(100μGEM) E_I =6.5kV/cm セットアップ例 E_D =1.5kV/cm ΔV_GEM =233V(B-GEM) E_T =1.5kV/cm（B-GEM間） ΔV_GEM =520V(100μGEM) E_I =6.5kV/cm

基本特性

1.中性子検出

2.γ線に対する感度チェック

3. 二次元画像

Test chamber

Water

減速材

1MeV

10meV Energy (eV)

252_{Cf (<En>=2.14MeV)}

Test chamber

Water

減速材

1Me V

10meV Energy (eV)

252_{Cf (<En>=2.14MeV)}

中性子検出

0 200 400 600 800 1000 0 2 4 6 8 10 Water depth(cm) C ount in g ra te in 100s ec Pad Foil

中性子検出

・

GEMに蒸着させる

10

Bの厚みを変化させて計測

0 5000 10000 15000 20000 25000 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Thickness of　Boron in one GEM（μｍ）

T he num ber o f th e co unts 1.2μm 2.1μm 2.4μm 上側 下側 上側:1.2μm 下側:1.2μm 上側:1.2μm 下側:0.9μm 上側:0.6μm 下側:0.6μm

中性子検出

・

10

Bを蒸着させたGEMの枚数を変えて測定

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 100000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

The number of the Boron-GEM

T he nu m b er o f the co unt s F 10B : 0.6μm+0.6μm

γ線に対する感度チェック

Neutron (2.2Å) 200mV/div １00nsec 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 The value of ADC

T he num ber o f the co unt s o f C o 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 T he num ber o f th e co unt s o f neut ro n Co-60 Neutron 中性子のデータ収集の閾値 γ線のデータ収集の閾値

二次元画像

X-Y ストリップ 1.6mm 間隔 ストリップの数 52×52 有感エリア 83.2mmｘ83.2mm 83.2mm 83.2mm

二次元画像

・

0.8mm読み出し

ピッチでの画像

1 6 _{11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76}S1 S5 S9 S13 S17 S21 S25 S29 S33 S37 S41 S45 S49 S53 S57 S61 S65 S69 S73 S77 9-12 6-9 3-6 0-3

ビームテスト

1.MUSASI（原研JRR3ガイドホール）

-協力 原研 鈴木、奥

2.NOP（原研JRR3ガイドホール）

-協力 原研 鈴木、奥、篠原

3.MINE（原研JRR3ガイドホール）

-協力 京大 日野、林田

4.KENS（KEK）

-協力 KEK 佐藤、猪野、鹿内、神山

ビームテスト

1.MUSASI（原研JRR3ガイドホール）

-協力 原研 鈴木、奥

2.NOP（原研JRR3ガイドホール）

-協力 原研 鈴木、奥、篠原

3.MINE（原研JRR3ガイドホール）

-協力 京大 日野、林田

4.KENS（KEK）

-協力 KEK 佐藤、猪野、鹿内、神山

MUSASI

・

MUSASIのビーム形状

1 ₆ 11 ₁₆ 21 ₂₆ 31 ₃₆ 41 ₄₆ 51 S1 S7 S13 S19 S25 S31 S37 S43 S49 160-180 140-160 120-140 100-120 80-100 60-80 40-60 20-40 0-20 1 4 7 _{10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49} S1₅₂ S4 S7 S10 S13 S16 S19 S22 S25 S28 S31 S34 S37 S40 S43 S46 S49 S52 150-200 100-150 50-100 0-50

・位置分解能

MUSASI

1 ₇ 13 ₁₉ 25 ₃₁ 37 ₄₃ 49 S1 S16 S31 S46 1 10 100 1000 10000 100000 1D Liner scale Strip pitch : 1.6mm 2D Log scale

with 0.5mmφ pin hole

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 Strip Number N um be r o f N eu tr on s 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1 11 21 31 41 51

MUSASI

・検出器の歪み

XY direction 16mm pitch 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 S152 S4 S7 S10 S13 S16 S19 S22 S25 S28 S31 S34 S37 S40 S43 S46 S49 S52

MINE

・時間分解能のテスト

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 50 100 150 200 Time (20nsec/bin)

Normalized Hit Counts

50μm GEM 一枚 （ボロン厚 1.2μm + 0.9μm） PNSE：0.670±0.014 freq.：1.7060±0.0006μsec PNSE：0.650±0.007 freq.：1.6700±0.0004μsec Ｂ－ＧＥＭ chamber Li scintillater ＋ ＰＭＴ (R3292) black red

今後の実験

1.中性子検出器としての改良

中性子検出器としての改良

・

2.4μmの

10

Bを蒸着させたGEMの利用

-1.2μm（0.6μm+0.6μm）→2.4μm（1.2μm+1.2μm）

・大型化

GEMの硬X線検出器への応用

・原理

-検出の原理は基本的には中性子検出等と同じ -反応断面積を稼ぐために重金属である金をコート

・問題点と対策

-電子のガス中でのエネルギー損失が小さい →通常のGEMを３枚セットして増幅させる -要求される位置分解能が高い →さらに細かいピッチの読み出しを使用

・セットアップ

GEMの硬X線検出器への応用

10枚 Cu-GEM 増幅部 Au-GEM 変換部

GEMの硬X線検出器への応用

・大型化

-10cm×10cm→23cm×23cm

・読み出し基盤の改良

-読み出しピッチ0.8mm→0.4mm

・新しいタイプの

GEMの開発

-100μm厚GEM -25μm厚GEM

TOF法による弾性散乱実験

・

中性子の波動性（回折）を利用した構造研究

飛行距離 検出器 試 料 中性子源 弾性散乱 飛行時間(波長に相当) （試料による散乱） 波数 2θ

Background Direct Beam HPS 500nm HPS 200nm

NOP

・小角散乱法のテスト

sample:SiO₂

MUSASI

・一様性

1.00

0.98

1.03

1.02 0.99

0.97

0.99

0.98

1.02 0.98

0.98

0.99

1.00

1.00 0.98

0.97

1.01

1.00

1.01 0.98

1.00

1.05

1.03

1.02 0.98

MUSASI&NOP

・まとめ

-歪みがない -一様な検出効率を持つ -良い画像検出器 -小角の中性子散乱でも良い結果が得られた -水素の問題がある

KENS

・読み出しシステム

Belle-CDC Pre-amp. Belle-CDC Pre-amp. ×7 RPN220×7 30 m 5 m RPN220 Dscr. T0 timing Fanin-Fanout Gate Gen. Coincidence 4ms delay Width 40ms CCNET GATE BUSY Gate Gen. GATE 120μs delay VETO Gate Gen. ADC 2249A×9 GATE Scaler CAMAC Trg. Gate Gated trg. CLK Gen. (１MHｚ） 1μs Reset

KENS

・粉末ダイアモンドの波長スペクトラム

flight time (wave length） msec

3_He は既存のシステムより導出 粉末結晶のシミュレーション 2θ=70deg. θ λ = 2d sin Cdのスリットを置いて測定

KENS

θ λ = 2d sin

MINE&KENS

・まとめ

-画像検出器として有用

今使っている検出器

„

RPMT

„

5インチ

„

HAMAMATSU

„

シンチレータ

„

ZnS＋

6

LiF（Ag）

検出効率の一様性（

RPMT）

位置補正前 位置補正後 一様性

抵抗分割PMT２次元検出器

位置の分解能が良い：0.5mm*0.5mm程度 検出効率が良い：ZnSで30～40%程度、1mm厚Li6で90%以上 ５インチ管で100mm径、 ３インチ管で50mm径の検出領域 画像に歪みが出やすい 2cm*0.3mm 中性子ビームを 1mmずつ移動し、 30回照射 ９０°回転 ２次元画像データ例 抵抗分割型２次元検出器