J-PARC MLF における 二次元中性子検出器開発 ーガス型検出器ー J-PARCセンター物質 生命科学ディビジョン中性子基盤セクション藤健太郎

J-PARC MLFにおける

二次元中性子検出器開発

ｰ ガス型検出器 ｰ

J-PARCセンター

物質・生命科学ディビジョン

中性子基盤セクション

藤 健太郎

J-PARC

3 proton accelerators

and

3 experimental facilities

50-GeV Synchrotron 3-GeV Synchrotron Linac Super-Kamiokande neutrino beam Transmutation Experimental Facility (Phase II) 16 July 2009

1000 m

area : 65 ha

Materials and Life Science Experimental Facility (MLF) Hadron Experimental Facility Neutrino Experimental Facility

MLF

neutron and muon experimental facility

-Neutron reflectometer

BL17 SHARAKU

Detector head

2D neutron detector for BL17

【コンセプト】

⚫ 優れた中性子検出器性能

He-3ガス、個別信号読み出し、高圧ガス容器

⚫ ユーザー共用の検出器

➢ 省メンテナンス、堅牢性

長期稼働の実績があるマルチワイヤ素子

➢ ユーザビリティ（簡単操作）

使用のための事前準備は電圧印加のみ（PC）

⚫ 大規模実験施設で使用（多岐にわたるノイズ源、長距離）

光信号伝送

Irradiation area 64ch ASD-ASIC 6 4 ch ASD -ASI C 64ch

ASD-ASIC _{Optical fiber}

6 4 ch ASD -ASI C 128 ch analog signals 1 2 8 ch an al og si gn al s Multiwire element Pressure vessel E/O converter DAQ O/E converter Position encoder 20 m Data acquisition room 1 mm

Development of gas-based 2D neutron detector

従来にない中性子検出器であり、独自に設計・評価を実施。

⚫ 個別信号読み出し用マルチワイヤ素子の設計 ⚫ 耐圧ガス容器の構造設計 耐圧ガス容器フランジ、中性子入射窓、3_{Heガス封入構造、高電圧供給用フィードスルー、微小} 信号取出し用マルチピン・メタルセラミックシール端子構造 ⚫ 個別信号読み出し電子回路の設計 多チャンネルASD-ASIC、荷電粒子トラック信号処理回路、 Sum信号回路、光信号伝送システム、 エンコーダモジュール、電子回路DC電源、検出器高圧電源

Irradiation area 64ch ASD-ASIC 6 4 ch ASD -ASI C 64ch ASD-ASIC 6 4 ch ASD -ASI C 128 ch analog signals 1 2 8 ch an al og si gn al s Multiwire element Pressure vessel E/O converter DAQ O/E converter Position encoder 20 m Data acquisition room 1 mm

Development of gas-based 2D neutron detector

従来にない中性子検出器であり、独自に設計・評価を実施。

⚫ 個別信号読み出し用マルチワイヤ素子の設計 ⚫ 耐圧ガス容器の構造設計 耐圧ガス容器フランジ、中性子入射窓、3_{Heガス封入構造、高電圧供給用フィードスルー、微小} 信号取出し用マルチピン・メタルセラミックシール端子構造 ⚫ 個別信号読み出し電子回路の設計 多チャンネルASD-ASIC、荷電粒子トラック信号処理回路、 Sum信号回路、光信号伝送システム、 エンコーダモジュール、電子回路DC電源、検出器高圧電源

Irradiation area 64ch ASD-ASIC 6 4 ch ASD -ASI C 64ch

ASD-ASIC _{Optical fiber}

6 4 ch ASD -ASI C 128 ch analog signals 1 2 8 ch an al og si gn al s Multiwire element Pressure vessel E/O converter DAQ O/E converter Position encoder 20 m Data acquisition room 1 mm

Development of gas-based 2D neutron detector

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 20 40 60 80 100 120 140 Anode Cathode Pitch (mm) Position (ch) Standard deviation Anode: 1.0% Cathode: 1.6%

従来にない中性子検出器であり、独自に設計・評価を実施。

⚫ 個別信号読み出し用マルチワイヤ素子の設計 ⚫ 耐圧ガス容器の構造設計 耐圧ガス容器フランジ、中性子入射窓、3_{Heガス封入構造、高電圧供給用フィードスルー、微小} 信号取出し用マルチピン・メタルセラミックシール端子構造 ⚫ 個別信号読み出し電子回路の設計 多チャンネルASD-ASIC、荷電粒子トラック信号処理回路、 Sum信号回路、光信号伝送システム、 エンコーダモジュール、電子回路DC電源、検出器高圧電源

Irradiation area 64ch ASD-ASIC 6 4 ch ASD -ASI C 64ch ASD-ASIC 6 4 ch ASD -ASI C 128 ch analog signals 1 2 8 ch an al og si gn al s Multiwire element Pressure vessel E/O converter DAQ O/E converter Position encoder 20 m Data acquisition room 1 mm

Development of gas-based 2D neutron detector

従来にない中性子検出器であり、独自に設計・評価を実施。

⚫ 個別信号読み出し用マルチワイヤ素子の設計 ⚫ 耐圧ガス容器の構造設計 耐圧ガス容器フランジ、中性子入射窓、3_{Heガス封入構造、高電圧供給用フィードスルー、微小} 信号取出し用マルチピン・メタルセラミックシール端子構造 ⚫ 個別信号読み出し電子回路の設計 多チャンネルASD-ASIC、荷電粒子トラック信号処理回路、 Sum信号回路、光信号伝送システム、 エンコーダモジュール、電子回路DC電源、検出器高圧電源

Irradiation area 64ch ASD-ASIC 6 4 ch ASD -ASI C 64ch

ASD-ASIC _{Optical fiber}

6 4 ch ASD -ASI C 128 ch analog signals 1 2 8 ch an al og si gn al s Multiwire element Pressure vessel E/O converter DAQ O/E converter Position encoder 20 m Data acquisition room 1 mm

Development of gas-based 2D neutron detector

従来にない中性子検出器であり、独自に設計・評価を実施。

⚫ 個別信号読み出し用マルチワイヤ素子の設計 ⚫ 耐圧ガス容器の構造設計 耐圧ガス容器フランジ、中性子入射窓、3_{Heガス封入構造、高電圧供給用フィードスルー、微小} 信号取出し用マルチピン・メタルセラミックシール端子構造 ⚫ 個別信号読み出し電子回路の設計 多チャンネルASD-ASIC、荷電粒子トラック信号処理回路、 Sum信号回路、光信号伝送システム、 エンコーダモジュール、電子回路DC電源、検出器高圧電源

Irradiation area 64ch ASD-ASIC 6 4 ch ASD -ASI C 64ch ASD-ASIC 6 4 ch ASD -ASI C 128 ch analog signals 1 2 8 ch an al og si gn al s Multiwire element Pressure vessel E/O converter DAQ O/E converter Position encoder 20 m Data acquisition room 1 mm

Development of gas-based 2D neutron detector

従来にない中性子検出器であり、独自に設計・評価を実施。

⚫ 個別信号読み出し用マルチワイヤ素子の設計 ⚫ 耐圧ガス容器の構造設計 耐圧ガス容器フランジ、中性子入射窓、3_{Heガス封入構造、高電圧供給用フィードスルー、微小} 信号取出し用マルチピン・メタルセラミックシール端子構造 ⚫ 個別信号読み出し電子回路の設計 多チャンネルASD-ASIC、荷電粒子トラック信号処理回路、 Sum信号回路、光信号伝送システム、 エンコーダモジュール、電子回路DC電源、検出器高圧電源

Irradiation area 64ch ASD-ASIC 6 4 ch ASD -ASI C 64ch

ASD-ASIC _{Optical fiber}

6 4 ch ASD -ASI C 128 ch analog signals 1 2 8 ch an al og si gn al s Multiwire element Pressure vessel E/O converter DAQ O/E converter Position encoder 20 m Data acquisition room 1 mm

Development of gas-based 2D neutron detector

従来にない中性子検出器であり、独自に設計・評価を実施。

⚫ 個別信号読み出し用マルチワイヤ素子の設計 ⚫ 耐圧ガス容器の構造設計 耐圧ガス容器フランジ、中性子入射窓、3_{Heガス封入構造、高電圧供給用フィードスルー、微小} 信号取出し用マルチピン・メタルセラミックシール端子構造 ⚫ 個別信号読み出し電子回路の設計 多チャンネルASD-ASIC、荷電粒子トラック信号処理回路、 Sum信号回路、光信号伝送システム、 エンコーダモジュール、電子回路DC電源、検出器高圧電源

Irradiation area 64ch ASD-ASIC 6 4 ch ASD -ASI C 64ch ASD-ASIC 6 4 ch ASD -ASI C 128 ch analog signals 1 2 8 ch an al og si gn al s Multiwire element Pressure vessel E/O converter DAQ O/E converter Position encoder 20 m Data acquisition room 1 mm

Development of gas-based 2D neutron detector

E/O変換からのファイバケーブル

従来にない中性子検出器であり、独自に設計・評価を実施。

⚫ 個別信号読み出し用マルチワイヤ素子の設計 ⚫ 耐圧ガス容器の構造設計 耐圧ガス容器フランジ、中性子入射窓、3_{Heガス封入構造、高電圧供給用フィードスルー、微小} 信号取出し用マルチピン・メタルセラミックシール端子構造 ⚫ 個別信号読み出し電子回路の設計 多チャンネルASD-ASIC、荷電粒子トラック信号処理回路、 Sum信号回路、光信号伝送システム、 エンコーダモジュール、電子回路DC電源、検出器高圧電源

Irradiation area 64ch ASD-ASIC 6 4 ch ASD -ASI C 64ch

ASD-ASIC _{Optical fiber}

6 4 ch ASD -ASI C 128 ch analog signals 1 2 8 ch an al og si gn al s Multiwire element Pressure vessel E/O converter DAQ O/E converter Position encoder 20 m Data acquisition room 1 mm

Development of gas-based 2D neutron detector

O/E変換、位置エンコーダー

一体型モジュール（VME1幅）

従来にない中性子検出器であり、独自に設計・評価を実施。

⚫ 個別信号読み出し用マルチワイヤ素子の設計 ⚫ 耐圧ガス容器の構造設計 耐圧ガス容器フランジ、中性子入射窓、3_{Heガス封入構造、高電圧供給用フィードスルー、微小} 信号取出し用マルチピン・メタルセラミックシール端子構造 ⚫ 個別信号読み出し電子回路の設計 多チャンネルASD-ASIC、荷電粒子トラック信号処理回路、 Sum信号回路、光信号伝送システム、 エンコーダモジュール、電子回路DC電源、検出器高圧電源

Irradiation area 64ch ASD-ASIC 6 4 ch ASD -ASI C 64ch ASD-ASIC 6 4 ch ASD -ASI C 128 ch analog signals 1 2 8 ch an al og si gn al s Multiwire element Pressure vessel E/O converter DAQ O/E converter Position encoder 20 m Data acquisition room 1 mm

Development of gas-based 2D neutron detector

各電極からのアナログ出力

従来にない中性子検出器であり、独自に設計・評価を実施。

⚫ 個別信号読み出し用マルチワイヤ素子の設計 ⚫ 耐圧ガス容器の構造設計 耐圧ガス容器フランジ、中性子入射窓、3_{Heガス封入構造、高電圧供給用フィードスルー、微小} 信号取出し用マルチピン・メタルセラミックシール端子構造 ⚫ 個別信号読み出し電子回路の設計 多チャンネルASD-ASIC、荷電粒子トラック信号処理回路、 Sum信号回路、光信号伝送システム、 エンコーダモジュール、電子回路DC電源、検出器高圧電源

BL17 2D Multiwire-type proportional chamber

⚫ 個別信号読み出し：個々の信号線からの出力を信号処理

多チャンネル信号処理回路 （x: 128 ch, y: 128 ch）

⚫ 光信号伝送（光ファイバ20m）

◼ 検出器ヘッド

サイズ：350 x 350 x 450 mm

3

質量：約50 kg

◼ 耐圧容器：10 atm

◼ 有感面積：128 x 128 mm

2

◼ ワイヤーピッチ：1 mm

Development of gas-based 2D neutron detector

Optical fiber 3 5 cm Effective area: 128 x 128 mm2 35 cm

Irradiation experiments were performed

⚫ using Cf-252 and Co-60

⚫ at KUR CN3

⚫ at J-PARC MLF BL17

Evaluation of developed detector

Uniformity test using Cf-252

Evaluation of developed detector

0 2x104 4x104 6x104 8x104 1x105 1.2x105 0 20 40 60 80 100 120 Counts Position (mm) Standard deviation 1st. cathode: 3.8% 2nd. cathode: 4.6% 0 20 40 60 80 100 120 140 400 500 600 700 800 900 1000 Num ber Counts/pixel Standard deviation:  = 57.8 Average gain spread: /N = 8.3%

1D uniformity

X: 3.8%

Y: 4.6%

2D uniformity

8.3 %

Irradiated neutron beam (NIP image)

0.7 mm 1.0 mm

Evaluation of developed detector

コリメート中性子ビームを9点入射

⚫ 入射位置に対応したピーク

⚫ 同等のピーク値

0.3 x 0.3 mm beam irradiation

0 200 400 600 800 1000 10 15 20 25 30 35 40 Measure d signal (counts) Position (mm) 0 200 400 600 800 1000 50 55 60 65 70 75 80 B A X projection 1.8 mm FWHM (0.76 mm ) Y projection 1.8 mm FWHM (0.76 mm )

Evaluation of developed detector

1.8 mm FWHM (0.76 mm ) 1.8 mm FWHM

(0.76 mm )

Position linearity (incident position versus measured position)

X axis

0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 120 Measure d posit io n (mm) Incident position (mm) y = 0.56327 + 1.001x R2 _{= 0.99999}

10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 -500 0 500 1000 Measure d c ou nt s (kcps ) _Reacto r p ow er (MW) Elapsed time (s)

● Measured by developed detector

■ Reactor monitor

Reactor power (KUR) vs detector counts

Evaluation of developed detector

⚫ 入射中性子数の増加に伴い、計数値も上昇

⚫ 210 kcps： 入射中性子数の制限 → さらに高計数率対応

10-1 100 101 102 103 104 105 106 10-5 ₁₀-4 ₁₀-3 ₁₀-2 ₁₀-1 ₁₀0 ₁₀1 Measu red sign al (cps) Reactor power (MW)

210 kcps

Evaluation of developed detector

BL17 TOF spectra

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 10 20 30 40 0 2 4 6 8 Neutron sign al (arb. uni t) Time (ms) Wavelength (A)

Irradiation was performed in two

chopper conditions.

⚫ 0 to 5 ms (0 - 1 Å); blue

⚫ 0 to 10 ms (0 - 2 Å); red

⚫ TOFスペクトルを計測

TOF images

0 200 400 600 800 1000 1200 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Neut ron sign al (a. u. ) Time (ms)

Image of 10 – 40 ms

Total image

Gamma-ray measurement

Shutter open, slit close

Gamma-ray counts

counts/pulse/area

Total:

5.70 x 10

-2

ROI 10ms -:

3.27 x 10

-3

【He-3 tube】

counts/pulse/area

Total:

4.13 x 10

-1

ROI 10ms -:

9.53 x 10

-3 5.70 x 10-2 _{counts/pulse/area}

Total image

ROI: 10 - 40 ms

1 10 100 1000 10000 0 5 10 15 20 25 30 35 40 G H Measure d signal (counts/ 6 00s) Time (ms) MWPC He-3 tube Counts Rate (cps/cm2₎ MWPC 855 8.66 x 10-3 He-3 6191 2.67 x 10-1 3.27 x 10-3 _{counts/pulse/area}

Evaluation of developed detector

Evaluation of developed detector

Ni/Ti多層膜の反射率測定（MLF BL17）

⚫ 透過・反射中性子のイメージ、TOFスペクトル

Neutron

Sample

Detector

Reflected

neutron

Transmitted

neutron

Reflected Transmitted 0 1x104 2x104 0 10 20 30 40 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Neutro n signa ls (c o unts) Time of flight (ms) Neutron wavelength (nm) Transmitted Reflected

X-Y image

X-TOF image

Time of flight (TOF)

TO

F

Evaluation of developed detector

10-2 10-1 100 0.1 0.15 0.2 0.25 Reflecti vity Q (nm-1₎

Neutron reflectivity

Ni/Ti多層膜の反射率測定（MLF BL17）

⚫ 透過・反射中性子のイメージ、TOFスペクトル

BL17 2D Multiwire-type proportional chamber

まとめ

検出器ヘッドサイズ

_{350 x 350 x 450 mm}

3

_{検出効率（1.8Å）}

_72%

検出器ヘッド重量

_{約50 kg}

位置分解能

1.8 mm FWHM

有感面積

_{128 x 128 mm}

2

_{二次元均一性}

_8.3%

ワイヤーピッチ

1 mm

ガンマ線感度

10

-8

_{- 10}

-9

パルス対分解能

_{1 ms}

計数率

₁₀

5

_{cps 以上}

*封入ガス条件に依存

2013年7月

BL17にインストール

以後の運転管理はビームラインメンバーに一任

2015年8月

小規模メンテナンス：信号処理基板交換

インストール後7年以上、ガス交換を伴うような大規模メンテナンス不要

Research and development

例えば、現在の有感面積を維持したままで素子ピッチの1/2にする場合、

個別信号読み出しの場合、素子のch、圧力容器のフィードスルー、信

号処理系の数が2倍になる

→ 全ての要素技術が再設計

【制限事項】 外形・寸法・重量

※ビームライン設置に対応するため

要素技術の高度化

⚫ 耐圧ガス容器

⚫ 検出素子

⚫ 信号処理&伝送系

⚫ エンコーディング

⚫ ユーザビリティ（簡易メンテナンス用）