ロジックシンセサイザーを活用したトリガーによる宇宙線測定
奈良女子大学B4
津嶋桃子

目次■ 研究背景と目的■ 宇宙線とは■ 使用した装置について■ 実験とその結果■ まとめ

2020/２/21

Tsushima Momoko

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研究背景と目的
今まではNIMモジュールを使ってロジックを作っていたが、これを使用すると左の写真のように複雑になってしまう。

BRoaDモジュールを使用すると、パソコンの中でロジックが組めるのですっきりする。

→BRoaDモジュールを使いこなして、宇宙線を観測したい。
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研究背景と目的■ 最終的には、以下のようなセットアップで宇宙線μ粒子の速度を測定したい。
𝑡1

μ粒子
ディスクリミネータ

PMT

シンチレータ

PMT

AND
ディスクリミネータ
AND

PMT

シンチレータディスクリミネータ
PMTAND
ディスクリミネータ

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𝑡24

目次
■ 研究背景と目的■ 宇宙線とは■ 使用した装置について■ 実験とその結果■ まとめ

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5宇宙線とは宇宙から地球に絶えず降り注ぐ高エネルギーの放射線のこと

Pππ
μ地球大気圏

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Tsushima Momokoμ

地球に降り注ぐときは、ほとんどがμ粒子になっている。
→だから、一番観測しやすいμ粒子を測定する。

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目次■ 研究背景と目的■ 宇宙線とは■ 使用した装置について■ 実験とその結果
・BRoaDモジュールとは■ まとめ

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・NIMモジュールとはTsushima Momoko

7BRoaDモジュールとはできること
・入力信号を“Delay”、 “Counter”、 “Measure”などの機能や、 “and”、 “or”、 “not”などの論理演算子を自由に組み合わせて適用できる。
・内部で任意の信号を生成してパルスジェネレータとして使用できる。
・ソフトウェアを使用してロジックを自由に構成できる。
・構成したロジックはPC内に保存できる。

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8BRoaDモジュールとは実際の操作画面

ピンク …入力（input)
黄色、青…ロジック(PreLogic/PostLogic)
ロジックパーツを配置できる
黄緑…Function(CntFnc/DlyFnc/NonFnc) 入力波形を調整する
濃い青 …OutPut(NIM-OUT)
出力ポートの設定、計測結果の保存ができる※計測できる内容
・GATEの時間・入力信号が１の時間
・入力信号の０から１への遷移の回数
・入力信号の遷移の回数

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9NIMモジュールとは従来使用していたモジュール
赤：High Voltage 高電圧を印加する電源モジュール
緑：Discriminator ある一定の電圧を越えるアナログ信号が入力されたとき、その電圧を越えた時刻を起点としてデジタルのロジック信号を出力するモジュール
紫：Clock generator 任意の width と周波数の Fast NIM 信号またはTTL 信号を出力するモジュール（今回の実験では使用していない）
青：Coincidence 複数のデジタル信号入力が同時に ON となったときのみ信号を出力する 。

→BRoaDモジュールは、青の部分の役割を担うことができる。
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10目次・BRoaDを使用してコインシデンスをと■ 研究背景と目的る■ 宇宙線とは・印加電圧を決める。

■ 使用した装置について・宇宙線の入射位置に依存する信号電荷■ 実験とその結果の変化■ まとめ

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11BRoaDを使用してコインシデンスをとる
シンチレータPMT

ディスクリミネータAND

シンチレータ

PMT

カウン
ター

ディスクリミネータ

デジタルオシロスコープ

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12BRoaDを使用してコインシデンスを取る
実際のBRoaDの画面と接続

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13BRoaDを使用してコインシデンスをとる
オシロスコープの画面
黄色：１個目のシンチレーションカウンターからの出力信号
青色：２個目のシンチレーションカウンターからの出力信号
ピンク：NIMモジュールによる出力信号
緑：BRoaDによる出力信号→NIMモジュールと同じくらいのタイミングでBRoaDも信号を出している
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14BRoaDを使用してコインシデンスを取るカウンターを使って、正しくコインシデンスをとれているかどうか確認した。

少し後→信号を出力するタイミングがNIMモジュールと同じなので、コインシデンスが取れていることがわかった。
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15印加電圧を決める。
長いシンチレーションカウンタの両端につけているPMTから出力される信号電荷が同じくらいになるよ
うに印加電圧を決める。
ディスクリ
ミネータ

PMT
シンチ
PMT１

シンチレーションカウンタ

AND

PMT２

シンチPMT

TriggerPC

オシロスコープ
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16印加電圧を決める。
実際のセットアップ

発泡スチロールで囲みこんで、長いシンチレーションカウンタの真ん中に短いシンチレーションカウンターを固定して測定した。
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17印加電圧を決める。
実際のオシロスコープの画面（平らなところの平均－下がっているところ）を足し合わせていって、信号パルスの面積を計算して信号電荷を求めた。

信号電荷を同じくらいにするためには…
→黄色と青のパルスの大きさが同じになるように調整していく。
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PMT

印加電圧を決める。 PMT1 シンチレーションカウンター PMT2
測定結果（PMT1：1530v PMT2：1490v）

PMT→目視でもわかるくらい、ピークの位置が同じくらいになったので、landauでFitして、定量的にピーク位置がわかるようにした。
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PMT

印加電圧を決める。 PMT1 シンチレーションカウンター PMT2
測定結果（PMT1：1530v PMT2：1490v）

PMT1
ピーク位置：1559±82020/２/21

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PMT

PMT2
ピーク位置：1576±９→ピーク位置が一致した。

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PMT

印加電圧を決める。 PMT1 シンチレーションカウンター PMT2
測定結果（PMT1：1500v PMT2：1535v）
PMT

PMT1
ピーク位置：2354±13
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PMT2
ピーク位置：2357±1021

宇宙線の入射位置に依存する信号電荷の変化
真ん中に置いていたシンチレーションカウンターを、端っこにする。
PMT
シンチ
PMT

シンチレーションカウンタ

AND

PMT

シンチ
PMT

Trigger
オシロスコープ
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PC22宇宙線の入射位置に依存する信号電荷の変化

PMT１

シンチレーションカウンターPMT２

・上図のように均一に信号を取っていると考えているので、長いシンチレーションカウ
ンターのどこで信号電荷をとっても同じ大きさになると考えられる。
・先ほどの実験で決めた印加電圧をかけた。
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宇宙線の入射位置に依存する信号電PMT
荷の変化
PMT1側によせてとったときのFitのヒストグラム（PMT１：1530V PMT2：1490V）

PMT
1

シンチレーション
カウンター

PMT
2

PMT

PMT1
ピーク位置：2389±122020/２/21

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PMT2
ピーク位置：1346±724

宇宙線の入射位置に依存する信号電
PMT
荷の変化
PMT2側によせてとったときのFitのヒストグラム（PMT１：1530V PMT2：1490V）

PMT
1

シンチレーション
カウンター

PMT
2

PMT

PMT1
ピーク位置：1110±62020/２/21

Tsushima Momoko

PMT2
ピーク位置：2884±1425

宇宙線の入射位置に依存する信号電
PMT
荷の変化
PMT シンチレーション PMT
PMT1側によせてとったときのFitのヒストグラム（PMT１：1500V PMT2：1535V）

カウンター

12

PMT

PMT1
ピーク位置：3499±172020/２/21

Tsushima Momoko

PMT2
ピーク位置：1871±926

宇宙線の入射位置に依存する信号電
PMT
荷の変化
PMT シンチレーション PMT
PMT2側によせてとったときのFitのヒストグラム（PMT１：1500V PMT2：1535V）

1

カウンター2

PMT

PMT1
ピーク位置：1734±92020/２/21

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PMT2
ピーク位置：4286±2627宇宙線の入射位置に依存する信号電荷の変化予想と異なった理由
・接着が均一にできていなかった。
・このシンチレーションカウンターの性格
・位置による温度による違い等が考えられる。

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目次■ 研究背景と目的■ 宇宙線とは■ 使用した装置について■ 実験とその結果■ まとめ

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まとめ
■ BRoaDモジュールのセットアップ及び、BRoaDモジュールを使用してデータをとることに成功した。

■ 作成した２つの長いシンチレーションカウンターの特性を知ることができた。
■ 作成した２つの長いシンチレーションカウンターの印加電圧を決定することができた。
■ μ粒子の速度測定へ一歩近づいた。

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Backup

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31シンチレータの長さについて
1. 通過位置の違いで２つのPMTから出てくるパルスのタイミングの違いが見れるかどうか。
2. Time of Frightを測れるかどうか。

以上の２点に注意して、35㎝に切ることを仮定して考える。

1.通過位置の違いで２つのPMTから出てくるパルスのタイミングの違い
𝑚𝑐 = 3 × 108 Τ𝑠
𝑛 = 1.5𝑐= 2 × 108 𝑚Τ𝑠
𝑛𝑐
0.35 ÷ ≅ 1.7ns𝑛
光電子増倍管（R329）のTransit Time Spreadがだいたい1nsなので、100photon得ると仮定すると
1= 0.1𝑛𝑠
100の時間分解が可能→1.7nsも可能

2.Time of Frightを測れるか。
シンチレータの上の部分の面積は𝑆 = 5 × 35 = 175𝑐𝑚2

宇宙線は１㎠あたり、１分に１個飛んでるので
𝑠×𝑠 1×≅ 0.3𝐻𝑧
2𝑑60
より、１秒間で0.3個の宇宙線がシンチレータに飛んでくる。
よって、一時間で0.3 × 60 × 60 = 1080𝑒𝑣
一晩で10000evを得られる。
→十分な長さである