μ-PICによるcool-X性能評価
川手朋子 澤田真理

目次
１．実験のねらい／検出器(澤田)２．スペクトル解析(川手)
３．２次元イメージング(川手)４．本実験(川手/澤田)
５．まとめ(澤田)1１．実験のねらい／検出器2

μ-PICについて『ピクセル型ガス検出器』

400μm間隔

50μm

10cm
256pixel

256pixel
10cm

3

検出原理
Drift Plane(-1600V)

electron cloudphoto electron
Anode(+500V)

X-ray
Cathode(GND)
W値 = 26eV

1cm
Gas (flow)
Ar:C2H6 = 9 : 1

55Feの5.9keVでは1次電子~230個400μm 電子なだれ

4μ-PICでできること
μ-PIC

時間変動

エネルギースペクトル２次元画像

5実験のねらい＊COOL-X（副島君発表）の詳細なデータをμ-PICを用いて取得するとともに、μ-PICの扱いに慣れる。
＊取得したデータを元に、シミュレーションによってCOOL-Xを用いた単色Ｘ線装置を最適化する。
6装置
μ-PIC
VME

ASD（プリアンプ）

GEM（補助増幅器）

Oscillo
Scope
7GEMについて
5μm

Kapton(絶縁体)50μm
Cuコーティング
140μm-1600V

70μm

Drift Plane
6mm

両端にかけたHV -1250V→電子なだれ -1000V

GEM+500V

μ-PIC

4mm
8ASDについて
μ-PICからの信号を読み出すプリアンプ
時定数:80[nsec]

ASDのゲインAASD = 700[pC/pC] 9

ゲイン測定1次電子の電荷量

Qi

ASD

Qi × AGEM × Aμ-PIC × AASD = Qf

OscilloScope

Qf
10μ-PIC Gain : Aμ-PIC

μ-PICのゲイン
放電

Aμ-PIC~4000
Anode電圧[V]11GEM Gain : AGEM

GEMのゲイン

AGEM~13
GEM間電圧[V]12Gain Map
Anode側,Cathode側ともに32chずつAnode:+500V
Drift Plane:-1600VGem Top:-1250V
Gem Bottom: -1000V

10cm足し合わせたアナログ読み出し→μ-PIC全面で8×8ヶ所
8765432
1 2 3 4 5 6 7 8

10cm 13平均に対する割合
0

ゲインのばらつき
RMS~7%

14

２．スペクトル解析

15Spectroscopy• Flash ADCを用いた解析

50 mV 400 nsec
16

取得条件
・μ-PIC内のAnode，Cathode共に128～160ch，12.5mm四方で得た信号を足し合わせる。
・Anode HV+480V
・Drift plane-1600V・Gem Top-1250V
・Gem Bottom -1000V
109 Cd・使用線源 55 Fe，

μ-PIC

17

55Fe， 109Cdのスペクトル55Fe 5.9keV→←Cu 特性X線 8.0keV↓109 Cd 22keV↑
Ar エスケープピーク
2.7keV

18

55Fe，109Cdのスペクトル55Fe 5.9keV→←Cu 特性X線 8.0keV

分解能(FWHM)↓ Cd 22keV
5.9keV ・・・ 26.1%
22keV ・・・ 19.4%
109↑
Ar エスケープピーク
2.7keV19

３．２次元イメージング

20

2D imaging

21

取得条件
・的：自作テストチャート（Ti 厚さ50μm）
・使用線源： 55Fe

10cm×10cm

22結果23位置分解能
図の赤で囲んだ30×3ピクセル分を縦方向にprojectionし，得られたヒストグラムを誤差関数でfitting24誤差関数によるfitting

分解能σ~560μm

25

考察
μ-PICの位置分解能は最大でσ~140μm

分解能低下の要因・1cmパッケージ中での電子の拡散・テストチャートと線源の配置
・自作テストチャートの正確さ

σ~500μm26

４．本実験(Cool-X)

27

設置図

28

Rateの変化

heatingcooling29

Rateの経時変化

30

Cool-XのスペクトルAr エスケープピーク 4.8keV
分解能(FWHM) 46.2 %↓Cu特性X線 8.0keV
分解能(FWHM) 30.2 %↓31

ビームの拡がり

COOL-X

3cm8cmμ-PIC
X-raybeam32解析
幅の等しい円環で円周方向に積分し単位面積あたりのカウント数を計算

33

評価方法
最高値に対する割合[%]

最高値に対する割合を半径に対しプロット(片対数)
L=3cm
L=8cm
50%
半径[mm]→50%に落ちる半径Rで拡がりを評価

34

考察

COOL-X

COOL-Xの放射窓から検出面までの距離Lに対し、
L = 3cm
L = 8cmとなった。

50%

R ~ 16mm
R ~ 29mm

3cm

8cm

中心でのFlux~150[photons/cm2/sec]@ L = 3cm

16mm

29mm
35

５．まとめ36まとめできたこと• μ-PICを用いたCOOL-Xのスペクトル、レイトの測定、 ビーム形状のおおまかな決定できなかったこと• COOL-Xのphaseに応じたスペクトルの選り分け、ビーム形状の違いの測定• 測定結果を用いた、シミュレーションによるＸ線発生装置の最適化
37

おまけ
μ-PIC狂乱編

38

2月15日（正常）392月20日（兆候）40

3月1日（異変）

41

傷発見

42

ガス漏れ確認

43

修復

44

暗中模索、疑心暗鬼• しかしゲインの変動は収まらず• 他の原因を探すこと約２週間

45

ついに発見 HVからの電圧を供給

Drift Plane

HV供給端子との接触面が剥がれている46

とどめ• Drift Plane電圧が正しくかかると、例のゲインの変動は収まった• しかしその矢先、μ-PICが放電(人災)47おしまい48

ゲイン測定一次電子の電荷量Qi=線源E／W値×素電荷
オシロスコープの波形から、
Pulse Heightと時間幅(FWHM)を測定↓
オシロに到達したパルスの電荷量Qf
Pulse
Height×時間幅(FWHM)__________________________～＝ オシロスコープの終端抵抗（50Ω）
49

おまけスペクトル編50

Spectroscopy 配線図

51

積分方法

52

線源エネルギー較正

(FADC charge [ADU])=255+(Energy [keV])×17453

線源による分解能
分解能(FWHM)[%]∝Energy[keV]

-0.96

54

線源による分解能２分解能(FWHM)[%]∝Energy[keV]

-0.20

55

考察
• 分解能は5.9keVで26.1%
22keVで19.4%• オシロスコープによる面積の計算に比べてgainが1.3倍ほど高いが，それは三角形で近似したためであり，妥当な結果。

56

おまけ
2D imaging編

57

おまけCool-X編

58

Cool-X

59

Heating/Cooling phase60

全て合わせたスペクトル61

Rateの取得
2D imagingに用いたEncoder boardから出力されるclockを利用。
↓
2D上であるパルス数を取得するのに何秒掛かるかで，rateを計算する。
Encoder boardの=2.62=2.62msec
msec
時間分解能
62

取得条件
• Rateの前回からの変化により，今取得しているのは周期のどの位置なのかを特定する。

63

スペクトルの取得
・μ-PIC内のAnode，Cathode共に64～96ch，12.5mm四方で得た信号を足し合わせる。
・Anode HV +500V
・Drift plane-1600V
・Gem Top-1250V
・Gem Bottom -1000V

μ-PIC

64

Cool-Xのスペクトル
Heating phaseとCooling phaseはrateの変化でほぼ見分けが付く。
↓Rateの測定直後のスペクトル取得時間内はphaseが変わらないとして，phaseに応じてスペクトルを振り分ける。
65

考察

COOL-X50%に落ちる半径をRとする。
COOL-Xの放射窓から検出面までの距離Lに対し、
L = 3cm
L = 8cm

R = 16mm
R = 29mm

16mm

3cm

29mm
8cmとなった。
xx ~ 7.2mm, θ ~ 14.7°

θ66