カロリメーターのエネルギー分解能向上の研究

福井大工
石川直樹、吉田拓生、奥村容子、林幸治

はじめに カロリメーター：粒子のエネルギー測定や種類を識別する装置
サンプリングカロリメーター：吸収層と検出層を交互に重ねた積層構造のカロリメーター
吸収層：粒子を吸収し、カスケードシャワーを発達させる層
検出層：カスケードシャワーを構成する粒子数を検出する層電磁シャワー電磁シャワ

その内（電子とγ線のみ）の一部を電子、γ線測定

ハドロンシャワ
ハドロンシャワー
（主に中間子、電子、γ線）

ハドロン

電磁カロリメーター
鉛とプラスチックシンレーター
鉛とプラ
チ クシ
タのサンドイッチ構造

ハドロンカロリメーター
鉄
鉄または鉛とプラスチックシンチレーター
鉛 プのサンドイッチ構造

入射粒子のエネルギーを全て吸収し、シンチレーターでの電離損失分＝シンチレーターの発光量入射粒子のエネルギーに比例1

シンチレーティングタイル・ファイバー型カロリメーター
タイルに波長変換材（WLS）でできた光ファイバーを埋め込んで、光を受光素子に導く。
シンチレーティングタイル

APD
浜松 S8664-55鉛光電子増倍管
浜松 H3178-61(Green Extended PMT)WLSファイバー

入射粒子

プラスチックシンチレーターのタイル（シンチレーティングタイル）

埋め込まれたファイバーを通って受光面に到達した光が光電効果によって光電子に変換され、電気信号として読み出される。

エネルギー分解能を向上のため、導く光子数が大きくなるようにタイル、ファイバー、受光素子を選択する。

WLS Fiber
Kuraray Co.,LtdY 8 Y 11
Y-8,Y-11

WLS-Fiber
Y-8発光
光電子増倍管（Green Extended）の量子効率

BC-4008発光

PlasticPl
ti
Scintillator
BICRON
BC-408
BC-412

BC-412発光

シンチレーティングタイルとWLSファイバーの選定

WLS-Fiber
Y-11発光光電子増倍管（Green Extended）の量子効率

WLS-Fiber
Y 11吸収Y-11吸収WLS-Fiber
Y 8吸収
Y-8吸収

量子効率が大きくなるようにタイルとファイバーを選択し、試料として組み合わせる。
試料は次の4種類①BC408 Y-8 ②BC408 Y-11

③BC412 Y-8④BC412 Y-11

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PMTによるシンチレーティングタイル・ファイバーの読み出し
MIP（宇宙線μ粒子）
WLS-Fiber
Y-8 or Y-11（1mmφ）
2回巻き、端面に反射板

バイアス電圧
光電子増倍管（PMT）

ADC

H3178-61(Green Extended PMT)
トリガーカウンター

Number of Eveents

シンチレーティングタイル
BC408 or BCF412
100
100mm×100mm×4mm
1004（白色ポリエステルフィルムで包む）

平均光電子数＝Mean÷5＝33.34個

ADC Channel

Average Number of P
Photoelectrons

測定

タイルを通過するMIPから得られた平均光子数3533.3 33.1

252030.6
28.9

28.6

3021.3
20.4

15.6
15 14.2

20.4

11.7

102500events
32 30.5

22sample1sample2sample3
sample4

11.210.350Y8Y11BC408Y8Y11BC412

この結果から、PMTで計測したとき、平均光電子数を最も多く得られるのはBC408 Y-11の試料であることがわかった。

3試料：BC408-Y11の信号が減少した原因の調査
試料の1つの信号数が減少した原因を調査することにした。
光電子数が減っていることから、PMTに届く前で光漏れを起こしているのではないか、と推測しファイバーに光を入射した。
照明を落とすと・・・

WLSファイバーのPMTとの接続面ファイバーの一部が強く傷つき、光が漏れていることがわかる。

BC408 Y-11

BC412 Y-8

ファイバーの損傷を防ぐ
ファイバーが強く光を漏らす部分の特徴として、タイルの縁と強くこすれてしまう場所にあることが上げられる。

ファイバーがタイルの縁でこすれないように、シンチレーティング光を反射する素材の防護テープを巻く。

ポリエステル系のテープで巻かれたファイバー4測定2防護されたファイバーを用いた平均信号数読み出し

Avverage Number of Phottoelectrons4033.5 34.1

3530252028.928.9 29.9
21 18.1
18 1

sample5
sample6
sample7

20 4 20.3
20.4
20 3 20.5

151050Y8Y11BC408

Y8Y11BC412

ファイバーを守るテープを巻くことで、ファイバーの損傷をおさえ、安定した結果をえることができた。

結論
PMTが検出した平均光電子数が最も大きかった試料はシンチレーションタイル：BC408
WLSファイバー：Y-11である。
また、ファイバーに防護テープを巻くことでファイバーの損傷を抑え、安定した結果を得ることができる。

課題
PMTより大きな量子効率をもつAPDの使用も視野に入れているので、APDで効率よく光電子を検出させる試料の決定を行う。

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以下は予備のスライド

APDのカロリメーターへの応用
カロリメーターのエネルギー分解能
T. Suzuki et al., NIM A432 (1999) 48より8mm厚鉛＋2mm厚シンチレーティング・タイルで電磁シャワーに対して：
電磁シャワに対して：E stochastic
E ( GeV )  const 14 %E ( GeV ) 1%
 A  B  A2  B 2  stochastic   int   sample   photostat
受光素子の光電子数のゆらぎ～11%
サンプリングのゆらぎ～21%
シャワー自体のゆらぎ、EMの場合～0%6受光素子による影響  photostat E (GeV) の項 

Q：量子効率

平均光電子数 N pe  ゆらぎ  平均入射光子数 N p  Q  N p Q
Gain M の受光素子で増幅

平均出力信号  ゆらぎ  M N p Q  M N p Q Fσ photostat
E (GeV )ゆらぎ
平均出力信号F
Np Q

F：過剰雑音係数（Excess Noise Factor）
Gain M 自体のゆらぎ

光電子増倍管：Q=0.2、 F=1.2

エネルギー分解能

イベント数• 粒子をカロリメーターに1000回打ち込む。
• シンチレータ層で観測されたエネルギー（光量に比例する）の分布をヒストグラムで表している。
σ σ

エネルギー分解能＝

σ
 100
平均値
[%]

エネルギー [MeV]平均値

71光電子の出力信号の検出
１光電子の出力信号を取り出す。
PMTの受光素子とWLSファイバーの間に光量を20%にまで減少させる

Num
mber of events

光学フィルムを挟んで1光電子の信号分布を調べた。

1光電子の出力信号

5ch

ADC Channel

結果から１光電子の出力信号は5chとした。

ADC:株式会社豊伸社CAMAC MODEL 7219

APD(S8664-55)の量子効率

シンチ・タイル
BC-408発光スペクトル

WLS-Fiber
Y-8発光スペクトルGreen Extended PMTの量子効率

量子効率 (%)

量子効率 (%)

シンチレーティングタイル、WLSファイバーの吸収/発光スペクトル

APD(S8664-55)の量子効率

シンチ・タイル
BC-412発光スペクトル

WLS-Fiber
Y-11発光スペクトルGreen Extended PMTの量子効率

波長(nm)

波長(nm)
WLS-Fiber
Y-8吸収スペクトル

WLS-Fiber
Y-11吸収スペクトル

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E60V

タイルを包む反射材 TORAY E60Vについて

E60L

タイルを包む反射材：ルミラーE60L
はシンチレーションタイルを右図のように包み、400nm～750nmまでの光で97%の反射率がある。

TILE

シンチレーション光の損失なくファイバーに吸収させることができる。

タイル
ルの発光時の波高比本研究で使用するシンチレーションタイルの発光スペクトルを右図に示した。

BC-408発光

BC-412発光波長(nm) 400～750

シンチレーションタイル分割位置での減衰の評価
試料の中で最も平均光電子数が大きかったBC408 Y-11を用いる。
シンチレーションタイルとMIPの照射の位置関係で平均信号数は変わるだろうか。
100mm×100mmのシンチレーションタイルを30mm×30mmの9区画にわけ、1区画ごとに平均区画 わけ 区画ごと 平均信号数が変化するか考える。

⑦⑧⑨④⑤⑥①② ③30mm

PMT30mm

光電子数ＹＭの減衰はMIP照射位置からPMTまでの距離xの関数で、

  x
 2 L  x YM  Y0 exp    R  exp    

λ：光の減衰長 （ｍ）

Ｒ：反射率
Ｌ：ファイバーの長さ（ｍ）
Ｘ：ＭＩＰ照射位置からＰＭＴまでの距離（ｍ）表される。

Ｙ０：荷電粒子が通過した位置(x＝0）での光電子数9シンチレーションタイル分割位置での信号評価

Average Number of Photoelectrons⑦⑧⑨④⑤⑥①② ③PMT30mm30mm最小位置：⑤ 33.66個⑦⑧⑨34.2

33.734.6④⑤⑥33.7

33.7

34.8

①②③34.7

34.134.2

最大位置：⑧ 34.82個

タイルの位置よる信号の大きさの変化はないと判断する。

シンチレーションタイルの分割位置は左の図と対応。

実験装置の写真
光電子増倍管接続面。
アクリルで接続台を作り、表面をアルミナパウダーで鏡面研磨した。

光電子増倍管に繋がらないファイバーの端面。
この面に反射材を貼り、光を光電子増倍管に導く

シンチレーションタイルに反射材を巻き、ファイバーには防護テープを巻いて実験を行う。

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