子を生成し、その電子を種にワイヤー付近でガス

荷電粒子検出器
増幅することによって電気信号を取り出す放射

1. はじめに線検出器である。Fig.1 は、円筒形ガスワイヤー
チェンバーで、Belle-II 実験に使われる中央飛跡

別で、荷電粒子をまったく感じない放射線検出器

Belle 実験で多くの荷電粒子をとらえた事象を示は無いといえるかもしれない。その根本原理は、す。

荷電粒子検出器といってもその種類は千差万検出器（CDC）の内層部である。また、Fig.2 に荷電粒子が物質内を通過する際に、電離または励起を起こす。そのときに発生する電子やイオン（またはホール）か光を利用して検出する。また、特殊な例として、荷電粒子が、物質内で光より速フ光を利用するものもある。電荷をもたない X 線
く移動することによって発せられるチェレンコ

や中性子も光電効果や特殊な反応を利用して荷電粒子に変換してから検出するのが一般的である。
この講義ではすべてを網羅することはできな
いので、ガス検出器を中心に話を進める。その比

Fig.1

Belle-II 実験の中央飛跡検出器の内層部の写真

円筒形ガスワイヤーチェンバーで較対象という意味で、シンチレーションカウンタ
ーや半導体検出器も簡単に触れる。
また、素粒子・原子核実験においては、荷電粒子の運動量を測定するのに磁場を利用することが多い。偏向電磁石の前後に荷電粒子検出器を配置する場合やソレノイド磁場中に検出器を配置する場合が多い。また、実験に合わせてこれ以外の磁場や検出器配置をとる場合もある。ここでは、荷電粒子検出器そのものに焦点をあて、シス
テム全体の話は割愛させていただく。

2. ガス検出器
ガス検出器は、金属細線（ワイヤー）を用いたものが一般的であるので、まずはガスワイヤーチ
ェンバーを説明するが、詳しくは、有名は参考文
献[1]を参照してください。他のガス検出器も説明

Fig.2 Belle 実験の CDC で得られた多くの荷電粒子を含む事象するがワイヤーチェンバーの知識があると理解しやすい。
2.1. 特徴と動作原理

ガス検出器の特徴は、比較的安価に大型化することができる。また、検出器の構成素材がワイヤ
ーとガスの低物質量であるので、測定すべき荷電ワイヤーチェンバーは、荷電粒子がチェンバー
粒子の状態を損なうことなく、測定可能である。
内のガスをイオン化（電離）することによって電このため、ワイヤーチェンバーは広く素粒子・原献をした Georges Charpak は、1992 年にノーベ子のことを特別に-ray と呼んでいる。この電子ル物理学賞を受賞している。さらに、比例計数管

場合もあり、位置やエネルギー損失の測定に影響やガイガーカウンターとして、放射光実験、中性を与える。特に、位置測定において、通常のガウ子実験など広い分野で用いられていて、放射能のス分布の誤差の範囲を超えた影響を与えること測定にも利用されている。

があるので注意が必要である。

子核実験に使用されていて、その開発に多大な貢は、飛跡として認識できるほどエネルギーの高いの重要な過程がある。1 つ目は荷電粒子がガス分

Fig. 3 に示すようにガウス分布ではなく、多い方子をイオン化（電離）して、最初の電子を生成すにテイルを引く。これをランダウテイルと呼ぶ。

ることである。2 つ目は、生成された電子が、印

これができる理由は、イオン化によって出来る電加された高電圧によって形成された電場によっ子の数が少ないことからくる統計的なものと-ガスワイヤーチェンバーの動作原理には、4 つイオン化によって出来た電子の総数の分布は、て、陽極ワイヤーに移動することである。このこ

ray のように極端に多くの電子が生成される場合とを電子のドリフトと呼んでいる。3 つ目は、最があるからである。このランダウテイルの大小も重要な過程で、陽極ワイヤー付近で起こるガス

は、ガスの種類によっていて原子番号の大きなも増幅である。4 つ目が、最終的に電磁誘導によりのほど大きなテイルができる。

電気信号として取り出せる過程である。これらを順番に説明する。
2.2. イオン化
荷電粒子がガス中を通過すると荷電粒子とガス分子中の電子との衝突によって電子とイオンが荷電粒子の飛跡にそって生成される。これをイオン化（電離）という。荷電粒子は、この過程によりエネルギーを失うのでこのことを荷電粒子のエネルギー損失という。この過程で発生する電子の数は、エネルギー損失の量に比例するので、発生した電子の数を数えることができれば、エネ
このイオン化には 2 つの過程がある。最初のもルギー損失を測定できることになる。

の場合に 1 ㎝当たり約 30 個の電子が生成される。

Fig. 3

色々なガスで得られた波高分布。ピークが同じになるように調整されている。

のが初期イオン化と呼ばれていて、アルゴンガス

2.3. 電子の移動

その初期イオン化で発生した電子のエネルギー
高電圧を印加することによって形成された電は十分に高いので、その電子がガス分子と衝突す場で、イオン化によって発生した電子が陽極ワイることによってさらに電子を生成する。この過程
ガスの場合、1 ㎝当たり 100 個ほどになる。これ

ヤーに向かって移動する。このことを電子のドリ

keV であり、必要なイオン化エネルギーが 26 eV

り返すので、その移動速度は比較的遅いものとなにより、最終的に発生する電子の数は、アルゴン
は、1 ㎝当たりの荷電粒子のエネルギー損失が 2.5

フトという。電子は移動中にガス分子と衝突を繰る。その典型的な速度が 50 m/ns である。もし、cm/ns）近くなるのでそれと比較すると電子の移ガスがなく真空ならその電子の速度は光速（30に相当することから計算される。
初期イオン化によってできた電子の中には特動速度が極めて遅いことがわかる。
に大きなエネルギーをもったものがあり、その電て電子が発生してから）、陽極ワイヤーから信号る。電子は Fig. 5 に示す角度をもって進むことにが出るまでの時間を測定すれば、粒子が通過した

なるが、その角度のことをローレンツ角αと呼ん場所が、陽極ワイヤーからどれくらい離れた場所

でいて、次のような式で表される。

ここで、粒子が通過してから（イオン化によっーに向かって最短距離を進むことができなくなであるかを知ることができる。このようにドリフ
ト時間を測定することによって、通過位置を正確（2-1）に求める測定器のことをドリフトチェンバーと呼んでいる。昔は、粒子の通過位置を正確に求め
近は電子回路の発展によりドリフト時間を 1ns 程るためにワイヤーを密に張る必要があったが、最

ここで、B は磁場(テスラ)で E は電場（V/m）
、v0度の精度で測定することができ、0.2 mm 程度のは磁場のないときのドリフト速度（m/s）である。

位置分解能を容易に得ることができるので、ほと値であるが、ローレンツ角が大きくなると係数ｃ

んどすべての粒子の通過位置を測定したいガス

も１からずれて大きな値になるので注意が必要

ワイヤーチェンバーはドリフトチェンバーになである。ここで、電場が強いとローレンツ角が小っている。

さくなるので実際の使用で電子の移動時間が短

うし、しかも、電場依存性がある（Fig. 4）。一般

くなるので有利性がある。

電子のドリフト速度は、ガスの種類によって違

ローレンツ角が小さい場合は、係数ｃは１に近い的に、高電場になればなるほどドリフト速度は一定値になる傾向にある。ドリフト速度が一定でなくても、電場は計算できるし、ドリフト速度の電場依存性がわかっていれば、ドリフト時間から陽極ワイヤーからの距離を計算することはできる。
実際に多くのドリフトチェンバーは、この状態で使われている。
Fig. 5 磁場中の電子のドリフト
イオン化によって出来た電子の分布が、移動中の多重散乱による拡散現象によりその分布が広がってしまう。その拡散の大きさはドリフト距離の平方根に比例するので、ドリフト距離が長くなるチェンバーの場合は注意が必要である。拡散比依存性もある（Fig. 6）。一般的によく使われてい例係数は、ガスの種類により大きく変わり、電場るアルゴンガスの場合は、この拡散比例係数が大Fig. 4 電子のドリフト速度の電場依存性

きい。二酸化炭素はクールガスと言われていて、拡散比例係数が小さいので、よい位置分解能が必要で比較的長いドリフト距離があるチェンバーに用いられることが多い。

荷電粒子の運動量を求めるために、チェンバー
を磁場中で使用することもよくある。この場合は、ローレンツ力により電子の移動は陽極ワイヤ

他のチェンバー部品との間を絶縁しなければならないなどの問題がある。
2.4. ガス増幅
ガス増幅がガスワイヤーチェンバーを動作させる上でもっとも大切な過程である。
高電場が形成される。その大きさは、30 kV/cm 以

陽極に細いワイヤーを使用するとその近傍に上にすることが容易である。陽極ワイヤーに電子が近づくと電子は、電場からエネルギーをもらって加速される。その加速された電子がガス分子とFig. 6 電子 1 個に対する拡散係数 [1]

衝突することによってイオン化で電子を作り出す。ここで作られた電子を含めてすぐに電場からエネルギーもらって加速され、また次の電子を作

さらに、ある種のガスでは、電子がドリフト中
ネズミ算式に増大する（Fig. 7）。このことをガスる。この過程を繰り返すことによって電子の数がにガス分子との衝突により、ガス分子に吸収されてしますことがある。このような性質が顕著なガ
10 万倍というものも容易に達成できる。このガス増幅（または電子雪崩）という。その増幅度は、スのことを陰性ガスという。酸素もその一種であるので、空気をチェンバーガスとして使うことは増幅が、イオン化によって発生した電子の数が少できない。チェンバー内に酸素が残っているとドなくても、最終的には荷電粒子の通過を電気信号
リフト距離によりイオン化により発生した電子として計測できるようにする根本的な要因であの数がどんどん減ってしまうことになる。特にドる。
リフト距離が長いチェンバーの場合は、少量の酸素でも影響が出るので注意が必要である。また、
フレオンと呼ばれるガスは、この吸収効果が大きいので、それを積極的に利用したチェンバーもある。
電子のドリフトの節として、最後に電場のかけ方にふれておく。陽極ワイヤーに正の高電圧をかける場合と陰極に負の高電圧をかける場合がある。陽極ワイヤーに正の高電圧を印加する場合
は、信号を読み出す場合に高電圧が電子回路にかデカップリングコンデンサー（例えば、1000 pF）
からないようにするために、比較的容量の大きな

Fig. 7 ガス増幅の様子を使わなければならない。過去にはこのコンデンサーの不良により電子回路が壊れるという問題
電気信号の大きさ（最終的に出来た電子の総があったと聞いているが、最近は、コンデンサー数）は、最初にイオン化によって出来た電子の数がよくなったためかそのようなことは起こって（エネルギー損失）に比例する。ただし、ガス増幅いない。陽極に負の高電圧をかける場合は、多く度があまり大きくなりすぎると比例関係がくずのワイヤーに高電圧を印加する必要があったり、れてくる。

イオン化によって出来た電子は、ほとんどの領（2-3）
域で電子の数は変わらずに多重散乱を繰り返して、陽極ワイヤーに近づいてくる。そして陽極ワ

ここで、N はガス分子の密度, は電子のエネ

イヤーの近傍（ワイヤーの直径程度）まで近づい
ルギー ｋ はガスの種類によって違う電子とガス
り、その電子群がワイヤー表面の到達する間に 10分子との衝突断面積を表す比例係数を表す。電子

まるのに必要な電場（30 kV/㎝程度）は、電子が次式である。

てくると電場が十分に強くなりガス増幅が始ま万倍まで増幅することになる（Fig. 8）。増幅の始が電場から移動中にもらうエネルギーは、単純にガス分子と衝突してエネルギーを失ってしまう（2-4）
前に、ガス分子をイオン化できるのに十分なエネ
ルギーが得ることができるほど強い電場というここから、衝突までの移動距離のワイヤー中心かことになる。つまり、電場と平均自由行程をかけらの距離依存性が次式のように導かれる。
たものがイオン化エネルギーを超える必要があるということである。

（2-5）
電子 n 個が dr 移動する間に増える電子の数は次式のように計算される。

（2-6）
Fig. 8 電場のワイヤーからの距離依存性 [1]。

これを積分すると、ガス増幅度 M は次式のようになる。

陽極ワイヤー近傍のみでガス増幅する。
（半径 a の陽極ワイヤー、半径 b の陰極外筒）でガス増幅度を単純な円筒形のチェンバー構造

距離 r のところでの電場 E は、印加されている高考察してみる。まず、陽極ワイヤーの中心からの
電圧 V0 で次式にように表される。ここで C はこのチェンバーの電気容量である。
（2-7）
ガス増幅の始まる径 rc は、条件によって大きく変（2-2）

わるので、ガス増幅の始まる電子のエネルギーcで書き換えると次式のようになる

電子がガス分子と衝突して次の電子を放出するまでの移動する平均距離は次式と仮定する。

たい場合は、アルゴン（あるいは、それよりも大
きな原子番号のガス）を使うことの有利性は大きい。逆に荷電粒子を対象とする測定器では、その（2-8）
有利性は不要であるので、アルゴンを含まないガ
央飛跡検出器では、ヘリウムとエタンを 50%ずつスを使用する例も出てきている。Belle 実験の中
この式でc, k はガスのみによるパラメーターで（2-9）

c はガス分子のイオン化エネルギー対応している。この式からわかることは、陽極ワイヤー径 aが同じなら、ガス増幅度は Q（線電荷）のみによる。セルの大きさｂは C を通してのみ影響するが、陽極ワイヤーの径 a は C を通して影響する分と直接影響する分がある。ガスの温度 T、圧力 P
は、ガス分子密度 N を通して影響する。N が大き混ぜたガスを使っている [2]。

2.5. 電磁誘導によるパルス信号の生成
最終的な電気信号（パルス信号）は、電子、及びイオンの移動による電磁誘導で発生する。大量の電子は、陽極ワイヤーの表面近くで発生するので、すぐに陽極ワイヤーに到達してしまって移動することができないので電気信号への寄与は小さいものである。ほとんどの電気信号は、陽極ワ

くなると増幅度は下がる。
イヤー表面近くで発生したイオンが、陽極ワイヤ得られた増幅度の式からは高い電圧をかけれーから遠ざかる様子が見えていることになる。
ばかけるほどガス増幅度が大きくが、実際にはそここで注意すべきことは、電子が陽極ワイヤー
うはいかない。ガス増幅度が大きくなるとある制ではないことである。仮想的に 2 つの平行板電極に到達することによって信号が見えているわけ
御機能がないと持続的に信号が発生してしまい、
安定した動作が得られない。ガス増幅過程でイオの間で電荷が揺れていることを考える。電荷は電ン化した分子から外郭電子が基底レベルに落ち極に到達することがなくてもその電荷の揺れをる際に紫外線が発生する。この紫外線が金属ワイ電極から電気信号として見ることができるのでヤーや金属壁に当たって光電効果により電子がある。あくまでも電荷の移動が重要なので、電子発生する。その電子が陽極ワイヤーに移動してきはほとんど動かいので電気信号への寄与は小さて次のガス増幅が起こり、また、紫外線を出す。
く、イオンの移動が見えることになる。例えば、
これを繰り返すことによって、安定した動作がで陰極からも信号を取り出すチャンバーの場合できなくなる。ちなみに、希ガス（例えば、アルゴ
も、もちろん、イオンが陰極に到達したときに信ン）だけのチェンバーでは、大きなガス増幅度を号が出るわけではなく、あくまでもイオンが陽極得ることができない。そこで、その紫外線を吸収
ワイヤー付近で移動する様子が見えるので、陽極するためにクェンチャーと呼ばれるガス（メタンと陰極で同時に信号が見えるのである。
などの炭化水素系のガスがよくつかわれる）を加
ここでイオンは電子に比べて非常に重いのでえる。クェンチャーガスは、紫外線を吸収してもその移動速度は遅く、飽和することなく電場の強電子を出すことはない。逆にクェンチャーガスださに比例する。イオンが電場の強いワイヤー付近
けを充てんしたガスチェンバーはきちんと動作
で急速に動くときに電気信号への寄与が大きい。
する。それでもアルゴンがチェンバーガスとして
しかし、イオンは長い時間かけて陰極に到達する
広く使われてきた理由は、まず安価であることがので、その間は電気信号が出続けることになる。
上げられる。2 つ目は、比較的低い電圧で高い増すべての電気信号をとらえるためには長い積分幅度が得られることも好まれたのである。3 つ目
時間が必要であるが、電気的な微分回路でゆっく
が、X 線に対しての感度が高いからである。X 線
りとした成分を取り除いて電気信号を取り出す
は原子番号の大きなものほど光電効果による反応断面積が顕著に大きくなるので、X 線を測定し

と短いパルス信号となり、高計数率に耐えることイヤーを張ることによって広い領域をカバーすができる。

る巨大装置まであり、その種類は千差万別であ2.6. ガス増幅度の違いによる検出器の種類る。

3 番目の領域が、電子の総数が比例関係からずガスワイヤーチェンバーは、そのガス増幅度にれてくる領域である。ガス増幅過程において、電よってさまざまな種類がある。逆に、使用目的に子数が大きくなってくるとその電子群が作る電いえる。Fig. 9 に示すように、印加する電圧によ場によって、もともとあった電場が弱められてしって増幅度は次第に大きくなるが、それぞれの領とを空間電荷効果と呼んでいる。また、少し太め域の特徴を以下に示す。

のワイヤーと紫外線をよく吸収するガスを選択合わせて、ガス増幅度を選択する必要があるとも

まって、ガス増幅度が抑えられてしまう。このこすることによって、大きめのガス増幅度を得ることも可能である。この現象はリミテッドストリー
マーと呼ばれていて、信号を読み出すための前置
増幅器が不要になることもあって、一時、盛んに研究されていた。現在は、電子回路技術の発展に伴って、安価に良い性能の前置増幅器が得られる
ことから、限定されたところでしか使われていな
5 番目は、ガス増幅がワイヤー全長にわたってい。

起こる領域である。この領域では、最初のイオン化よってできた電子の数に関係なく、非常に大き
Fig. 9 ガス増幅度の印加電圧依存性 [1]なガス増幅度が得られることから昔からガイガ
ー・ミュラー計数管として使われてきた。現在で1 つ目は、最初のイオン化によってできた電子も環境放射能などの測定に利用されている。
一般にガス増幅度が大きくなるにしたがって、増幅は起こらないので、ガス増幅度は 1 であるとの数が変わらない領域である。この領域ではガス信号が大きくなるので信号を読み出すための電子回路が容易になるといえる。ただし、その分、いえる。この領域で使うチェンバーは、イオンチ
最初のイオン化によってできた電子数の情報をェンバー（電離箱）と言われていて、ビームダン失ってしまう。また、不感時間・空間が大きくな
プなどの大量の粒子が入射される環境下でのビる。さらに、放射線損傷でチェンバーの寿命が問
ーム強度モニターなどに使われる。高い電場を形
題になることも考えられる。いずれしても、実際成する必要がないので、細い金属ワイヤーを張るに使用する目的・使用環境によって、どのガス増必要がなく、単純な構造で安定して動作させるこ
幅度で動作させるのが最適であるかは決めていとが可能である。電場が弱すぎる場合は、電子（まかなければならない。
たはイオン）がガス分子に吸収されてしまって、
2 つ目は、ガス増幅によってできた電子の総数

信号が小さくなってしまう。

2.7. 位置分解能を決める要因
ガスワイヤーチェンバーは、ドリフト時間を測がイオン化によってできた電子の数に比例してって荷電粒子の通過位置を正確に求める場合がいる領域である。この領域で使われるチェンバー
多い。そこで、どうような要因でその位置分解能れている。円筒形の外筒の中に 1 本の陽極ワイヤのことを比例計数管と呼んでいて最も広く使わーが張られている単純なものから何万本ものワが決まっているかを考える。

まず、最初に考えるのがイオン化時の統計的な電気信号の立ち上がりが有限であるために、閾値

平均で 1 ㎜あたり 3 個程度であるので、ワイヤーが同じでも信号の大きさによって、閾値を超えるからもっとも近い距離のところで常にイオン化

信号の大きさを記録して、補正することによってによる電子ができるわけではない。それによっ緩和することが実際に行われている。

て、同じ場所を粒子が通過しても最初の電子がワ

2.8. ワイヤーにそった方向の位置測定

ふらつきである。初期イオン化が起こる割合は、

イヤー到達するまでの時間は統計的にばらつい

時間が違ってきてしまうことである。この影響をてしまうのである。この効果は、陽極ワイヤーのここまでは、陽極ワイヤーに垂直方向の位置を

近くを荷電粒子が通過した場合は大きく、遠くを測定することを前提に説明してきた。実際の実験

10）。しかし、ここで注意しなければならないのどである。そこで、ワイヤーにそった方向の位置

通過すれば、薄れることは容易に理解できる（Fig.

では、粒子を 3 次元的にとらえたい場合がほとん

信号が閾値（信号を電気的ノイズと区別するため

1 つ目の方法が電荷分割法である。荷電粒子がに設ける値）を超えるとは限らない点である。特通過することによって発生した電気信号は、ワイに、閾値が十分に小さくできない場合や信号の立

ヤーの端から測定することになる。ワイヤーにはち上がりが十分に小さくない場合などは、複数の有限な抵抗値があるので、両端から出る電気信号

電子が作る信号によってはじめて閾値を超えるの大きさには、荷電粒子の通過した場所によってので、イオン化の統計的ふらつきの効果が大きく違いがでることになる。この違いを正確に測定すなる。

ることによって、ワイヤーにそった方向の位置を

は、最初の電子がワイヤーに到達した時に、電気をどう測定するかを考える。

もとめることを電荷分割法という。この測定のためには、ワイヤーの抵抗値がある程度大きい方がよく、使用する前置増幅度の入力インピーダンス
方法で得られる位置精度は、ワイヤー長の 1 %程が小さい方が有利である。これまでの例からこの度とされているので、1 m のチェンバーの場合は10 ㎜程度の精度が得られるということになる。

という煩雑さはあるが、1 本のワイヤーで 3 次元
両端から信号読み出しを行わなければならない

Fig. 10 位置分解能のドリフト距離依存性 [1]2 つ目の方法がステレオワイヤーという方法で情報が得られるという点が最も特徴的である。

2 つ目の効果は、ドリフト中の拡散である。すある。一般的に荷電粒子のエネルギーは十分に高でに電子の移動の節で説明した通り、拡散によりである。そうであれば、ワイヤーの張ってある向電子がワイヤーに到達する時間にふらつきが生

きが垂直になるように複数の層を配置すれば、全いので、複数のワイヤー層を通過することが可能

まれる。特にドリフト距離が長いチェンバーでは体として荷電粒子の飛跡を 3 次元的に再構成する

この効果は主に位置分解能を決めてしまうのでことが可能である。複数の荷電粒子が通過するよ

3 番目の要因が、電気的ノイズと Time

注意が必要である。

walk

うな場合は、ソフト的に 1 個 1 個独立に測定でき
るように斜めに張ってある層を組み合わせる場である。純粋な信号の形が同じでも電気的なノイ合もしばしばである。この応用がステレオレイヤ

まうことは容易に理解できる。Time walk は、ーの方法である。円筒形チェンバーの場合は、ワズが加われば、閾値を超える時間がふらついてしイヤーを垂直に張ることは難しい。そこで、交差角がかなり小さい状態（例えば、5 度）でワイヤ役割をしていて、抵抗値が小さければ、電気信号ーを張る。それでもワイヤー方向の位置をソフト

はシールドされて外側では測定することができ

ヤーに垂直方向の 10 倍程度である（5 度の場合ない。まとめると高抵抗素材は、DC 的には導体

は、1/sin5°~11.5 倍）である。この方法が、製作として働くということである。容易に想像がつくが容易であること、電子回路が余分に要らないこと思うが、この検出器は高い計数率を得ることがと、物質量が少なくて済むことなどの理由で多くできないので、宇宙線の測定や比較的計数率の低的に求めることが可能でその位置分解能は、ワイ

3 番目の方法が、カソードストリップを用いるの実験で採用されている。

として働き電荷を供給するが、AC 的には絶縁体

い環境下で有効に使われている。

方法である。ガス増幅の節で説明したように、ガス増幅によって発生する電気信号は、陰極でも測定可能である。そこで、ワイヤー方向にそって、陰極を分割しておいて信号を取り出せば、位置測定が可能である。この場合は、信号のアナログ情報を正確に読み出せば、0.5 ㎜という位置分解能も容易に達成可能である。1 つの信号を複数の陰極で読み出すためにどうしても信号が相対的に小さくなってしまうことやカソードストリップ
電気ノイズとの S/N が悪くなる問題がある。

の電気容量が大きくなってしまうことからくる

2.9. RPC と MPGD

Fig. 11 Belle 実験で使用されている RPC の構造。
薄いガス層が 2 層ある [3]。

最近、微細加工技術の発展に伴って、MPGD と細い金属ワイヤーを大量に張ることはそれな呼ばれる測定器の開発が盛んに行われている。こりに大変な作業を必要とする。そこで、ワイヤーれもワイヤーを使わないガスチェンバーである。

を使わないガスチェンバーを製作したいという

最近の素粒子・原子核実験では、入射粒子の頻度要求は常に存在する。そこで開発されているのが 、 RPC(Resistive Plate Chamber) と Micro-が非常に高い場合がある。これまでのワイヤーチ

Pattern Gas Detector（MPGD）であるが、これェンバーでは、あまり高い入射頻度の状況下ではらの詳しい話は本講義の範囲を超えるので、簡単

発が進められている。MPGD には、大別して 3 種

RPC[3]は狭いギャップをもつ平行板に高電圧に述べるだけに留める。

ある（Fig. 11）。電極に高抵抗素材を利用することを印加して、ガス増幅を起こさせるチェンバーでてしまう。そこで新しい試みとして MPGD の開ガス増幅度が落ちてしまって使用不可能になっ1 つ目が Micro-Strip Gas Chamber（MSGC）

類のものがある。

である。細分化された電極をエッチング技術で形によって、一旦、信号が発生するとその区域だけ成し、そこに高電圧を印加することによって高電電圧が一時的に低下して、継続的な放電を抑える場を形成してガス増幅を起こさせるものである。

ことができる。高抵抗素材でなければ、電荷がす

一時、世界的に開発が進められたが、絶縁層に電ぐに供給されて、局所的にも電圧降下がおきな荷が蓄積して放電するなどの問題を回避するこい。発生した電気信号は、高抵抗素材の外側に配とが難しく、高い増幅度得られずにその開発が今置された読み出し電極（ストリップまたはパッは下火であるといえる。日本では、京都大学が中ド）に誘起される。これにも高抵抗素材は重要な心となっているグループが勢力的に研究開発を使われている [4]。

進めて、-PIC と呼ばれるチェンバーが実験にも2 つ 目 が Micromesh Gaseous Detector

られることも出てきている [7]。

を画像としてとらえるような使い方として用いは、金属メッシュを読み出し基板の上に 50 m 程

（MICROMEGAS）である[5]。この測定器の構造

度のギャップをあけて配置するもので、そのギャ
ス増幅を行うものである。50 m 程度というのがップ間に高電圧を印加して高電場を形成してガ

重要なパラメーターで、ワイヤーチェンバーのガ
ス増幅の節で説明したように、ワイヤー表面からワイヤー径相当のところからガス増幅が始まる
ので、その値とこのギャップ間は同程度であるということである。ギャップが広すぎてもガス増幅は安定しない。狭すぎれば、ガス増幅度が十分に得られないことになる。狭い間隔に高電圧を印加しても間隔を維持するためにスペーサーがほど
MICROMEGAS の場合は、このギャップは 1 段

Fig. 12 GEM の電子顕微鏡写真

3. シンチレーションカウンター

よく密に 配置されている。 基本的にシンチレーションとは日本語で蛍光である。荷電粒子が物質内を通過すると原子を励起して、そで十分な増幅度が得られる。複数段にする試みもの状態から元の基底状態に戻る際に光を出す。そなされているが電場を段ごとに上げていく必要
最後の例が、Gas Electron Multiplier (GEM)での光を光電子増倍管などの光センサーで電子信があり、あまり得策とは言えない。

ある [6]。これは、通常の両面フレキシブル基板号として取り出すものをシンチレーションカウ
ンターと呼んでいる。光を利用することから物質は透明なものである必要があり、発光量が多くに多数の細孔をあけて、両面間に高電圧を印加しさせるものである（Fig. 12）。典型的なものとして、発光するまでの時間ができるだけ短い時間のの厚みが 50 m、銅箔の厚みが 5 m である。こて有益である。また、発光される光の波長も光セて、細孔内に高電場を形成して、ガス増幅を起こて、孔径が 70 m、孔ピッチが 140 m、絶縁体

ものが高計数率に耐えられるという意味においこでも厚みが 50 m であるのは、前述の通りであンサーに感度があるものが適しているといえる。

GEM 間に高電圧を印加しているので、多段に重のがあり、シンチレーション物質をプラスチック

このシンチレーションカウンターには 2 種類のもる。GEM の場合は、MICROMEGAS と違って、に混ぜたものと結晶型のものとがある。結晶型のものも荷電粒子をとらえることができるが、ガンねることが一般的で、3 段構造にして、必要なガマ線を測定するのに適しているので、ここでは割ス増幅を得られるようにしているものが多い。読愛する。
み出し陽極構造は、GEM とは独立に構成することができるので自由なパターンを配置すること
これらの MPGD 検出器は、ワイヤーチェンバ

3.1. プラスチックシンチレーションカウンターが可能である。

プラスチックシンチレーションカウンターは、蛍光物質を透明なプラスチックに混ぜ込んで荷ーと違って、2 次元位置情報を等方的に精度よく号として取り出す装置である（Fig. 13）。プラス

電粒子が通過すると発光し、光センサーで電気信得ることが可能であるという特徴をもっている
ので、荷電粒子検出器として高計数率が必要な環

チックは目的に合わせて、厚みや大きさを容易に境下で使用するだけにとどまらず、X 線や中性子
機械加工することが可能であり、光電子増倍管と組み合わせることによって、簡単に確実に動作すーチェンバーかのように動作させることも可能

る放射線検出器として広く利用されている。特にであり、トラッカーと呼ぶにふさわしいものであ

短時間で信号が得られ、高計数率に耐えられるこる。

とからトリガーカウンターとして用いられることが多い。さらに正確な時間情報が得られることから飛行時間を測定する検出器として粒子識別に用いられることが多い。光電子増倍管が比較的高価であるということからシンチレーターを細分化することはあまりやられてこなかった。

Fig. 14 真ん中に波長変換ファイバーが組み込まれたシンチレーター

Fig. 13 シンチレーションカウンター3.2. 位置測定型のシンチレーターカウンター
最近では、光電子増倍管に代わる半導体光セン
ランシェフォトダイオード（MPPC または SiPM）
サーとしてガイガーモードマルチピクセルアバと呼ばれているものが開発され、使用可能となっFig. 15 トラッカーとして製作されているシンチ
レーションファイバー [9]てきた。これは光電子増倍管に比べるとずっとコンパクトで安価であるので、これを利用して細分化されたシンチレーションカウンターを製作す4. 半導体検出器

ることが可能となってきた。これにより荷電粒子
一般社会の半導体技術の発展にともなって、その通過位置をこれまでよりもずっと正確に測定の技術を応用した放射線検出器が広く使われるすることができる。これの最初の例が、数センチようになってきた。特に、精度よく粒子の通過位イバーを仕込んで、それを端部に付けた MPPC で置を測定したい場合や粒子の入射頻度の高いと[8]。1 m 以上の短冊状のものでも確実に荷電粒子れない。そこで半導体検出器が使われてきてい14）。また、さらにファイバートラッカーと称されえるのでここでは簡単に紹介するだけに留める。

の短冊状のシンチレーターの中に波長変換ファ
ころではガスワイヤーチェンバーでは対応しき

光 から 電気信号に 変えて 読み 出すも ので あるる。この検出器の詳しい話はこの講義の範囲を超の通過を認識できるものが作られている（Fig.

る直径が 1 mm 程度のシンチレーションファイバ
ーを敷き詰めて MPPC を利用して読み出すものもある（Fig. 15）。ここまでくるとまるでワイヤ

4.1. 特徴と動作原理安であり、それぞれの検出器の最高性能を示すもまずは位置分解能を Table 1 に示す。

のでないので注意が必要である。
荷電粒子が半導体検出器内を通過するとガス
チェンバーの電子とイオンのように電子とホー

Table 1 位置分解能

ルができる。これを集めて信号として取り出すの0.1 mmが半導体検出器である。ガスチェンバーと大きく

10 mm (ファイバー：1 mm)

違う点は、ガス増幅に相当する増幅過程がないのガス検出器で発生する電気信号はかなり小さい。もちろん、シンチレーター

ガスと比べて個体である半導体の物質量は大き半導体検出器いので荷電粒子は多くのエネルギー損失をする。

次に時間分解能を Table 2 に示す。

それにより最初の電子（またはホール）の数はか

Table 2 時間分解能なり多い（100 倍あるいはそれ以上）。それでも増幅過程がないので、高精度の前置増幅器をすぐ近1 個の荷電粒子の通過を電気信号として取り出す
くに配置する必要がある。これによってはじめて

1 nsec

ガス検出器
シンチレーターことが可能となった。
半導体検出器
半導体の微細加工技術をもってすれば、細かいスワイヤーチェンバーでは不可能な 50 m ピッストリップを形成することは容易で、例えば, ガ

0.1 nsec
10 nsec

次に検出器の取り扱いやすさを Table ３に示
すが、かなり主観的な側面もある。
Table 3 扱い易さ

チのストリップを配置することも可能である。
4.2. 実際の検出器て、両面に XY ストリップを配置できるようにな

0.01 mm

ガス検出器

普通

シンチレーター

比較的簡単

半導体検出器難しい

半導体検出器は、1 次元ストリップから始まっってきた。前置増幅器の高性能を維持するためにのために長いストリップを 1 個の前置増幅器で読はセンサーの容量が小さくなくてはならない。そTable 4 に示す。

次が物質量であるが、構造によるので難しいがTable 4 物質量

み出すことはできないので、大きな面積をカバーすることは大変であり、物質量という意味においてはガスチェンバーよりもどうしても多くなっ
ガス検出器

小

シンチレーター

大

半導体検出器中てしまう。逆に、より細かく高頻度に耐えられる
ようにピクセルタイプの検出器の開発も盛んに行われている。この場合は、膨大なチャンネル数になってしますのでそのデータ処理をどうするは難しいが単位面積当たりを念頭に、Table 5 に

最後にコストにも一応ふれておく。さらに比較

かも重大な開発項目であるといえる。

5. まとめ示す。
Table 5 コスト

3 種類の荷電粒子検出器を説明してきた。ここ
ガス検出器

安価

シンチレーター

中ぐらい

半導体検出器高価

では、まとめとして理解の助けとなるように比較表を示す。数値はオーダーであり、あくまでも目参 考 文 献[1] F. Sauli, “Principle of operation of multiwire
proportional and drift chamber”, CERN 77-09, 3
May 1977[2] S. Uno et al., Nucl. Instr. and Meth. A 330 (1993)
55[3] A. Abashian et al, Nucl. Instr. and Meth. A 449(2000) 112[4] A. Ochi, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 471 (2001)
264[5] Y. Giomataris, Ph. Rebourgeard, J.P. Robert, G.
Charpak, Nucl. Instr. and Meth. A 376 (1996) 29[6] F. Sauli, Nucl. Instr. and Meth. A 386 (1997) 531[7] S. Uno et al., Physics Procedia 37 (2012) 600[8] Y. Kudenko, Nucl. Instr. and Meth. A 598 (2009)289[9] K. Miwa, private communication