1118■ 談話室

CERN Summer Student Programme 2023 参加報告
東京大学 大学院理学系研究科 物理学専攻 修士１年

近藤 翔太
skondo@icepp.s.u-tokyo.ac.jp
2023 年 (令和 5 年) 10 月 6 日

はじめに1配布を行う Beam intensity monitor の開発に携わった。

私は７月３日から９月１日までの９週間，CERN Sum-

mer Student Programme 2023 に参加した。本記事では，
このプログラムでの活動を報告する。

2.1ドル（図 1(a)）が用いられてきた。しかし，長年の使用による劣化や開発・運用をしてきた専門家の引退に伴う技術の喪失，後述する新型 Beam profile monitor（図 1(b)）
上への設置の難しさが理由で，新しい Beam intensitymonitor が必要とされている。配属先のチームでは，シン活動内容

2

従来，Beam intensity monitor にはシンチレーションパ

チレータと SiPM を用いた新型 Beam intensity monitor（図 2）の開発を進めており，私はそのプロトタイプの作講義

今年から対面での講義が再開された。講義のテーマは素粒子理論，素粒子実験，データ解析，統計学，放射線医療と多岐に渡り，興味深いものばかりだった。また，成と β 線源 90 Sr を用いた粒子検出効率の評価を行った。

2.2.1

同時期に開催されている Open Lab というプログラムの10 cm

機械学習の講義にも参加した。

2.2

新型 Beam intensity monitor の構成

光検出器 SiPM②
10 cm

研究

シンチレーションタイル

波⻑変換ファイバ
光検出器 SiPM①
30 cm

真空容器

図 2: 新型 Beam intensity monitor。表面積 10×10 cm2 ，厚さ 0.1 cm のシンチレーションタイルに，直径 0.1 cm，長さ 30 cm の波長変換ファイバが 2 本取り付けられている。タイルとファイバは光学素子用接着剤で接着した。
新型 Beam intensity monitor の構成を図 2 に示す。1(a) シンチレーションパドル(b) 新型Beam Profile Monitor

枚のシンチレーションタイル，2 本の波長変換ファイバ，2 個の SiPM から構成される検出器で，粒子がタイルを

図 1: (a) シンチレーションパドル。シンチレーションタ通過したときに発生する紫外光を，波長変換ファイバ器。[1](b) 新型 Beam profile monitor。1 mm 角のシンを SiPM で読み出す。新型 Beam intensity monitor は，イル，ライトガイド，光電子増倍管から構成される検出チレーションファイバ（192 本）と SiPM（192 個）から構成される検出器。[2]私は CERN North Area のビームラインで使用される

Beam monitor の研究・開発を行うチームに配属され，beam intensity の測定，および，他の検出器へのトリガで SiPM の光子検出効率が高い可視光に変換し，それ新型 Beam profile monitor（図 1(b)）の表面に設置し，トリガとして用いることを念頭に設計されている。新型Beam profile monitor はビームの進行方向に垂直な断面をモニタする検出器で，ビームライン上の真空容器内に設置して使用する。従来 Beam intensity monitor として

2119SiPM を光検出に使用しているため，新型 Beam profile
monitor のセットアップに設置できる。
2.2.2

1 p.e. 破線：ガウシアン（ダークパルス）

2

210 1010 10

2 p.e.
3 p.e.

1 1

1 −110−10

3000
3000
2500
2500
2000
2000
1500
1500
1000
1000
5005002 −210−10

0 0 5005001000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Integrated
pulse[channels]
Integratedpulse[channels]

閾値の決定と SiPM の較正

Integrated Pulse [channels]

一方，新型 Beam intensity monitor はサイズの小さい

310310Signal-Photon
numbercalibration
Signal-Photon
numbercalibration

パルスの積分値
Integrated[channels]
Pulse [channels]

profile monitor のセットアップに設置するのは難しい。

Number of events

増倍管で光検出を行うが，サイズが大きく，新型 Beam

Number of events
イベント数

用いられたシンチレーションパドル（図 1(a)）は光電子

Integrated
pulse
distribution
Integrated
pulse
distribution

0 00 0 0.50.5 1 1 1.51.5 2 2 2.5 2.5 3 3 3.5 3.5
Numberof photons
Numberof photons

パルスの積分値 [channels]

SiPM では，光が当たっていない状態でも，ピクセル検出光⼦数(a)ダークパルスの積分値のヒストグラム(b) ダークパルスの積分値と検出光⼦数の関係

内で熱的に励起したキャリアが増幅されることで信号

図 4: (a) ダークパルスの積分値のヒストグラム。2 p.e.

定におけるノイズとなるが，パルス波高が低いため，波るイベント数が一致するようにスケールして合成した。

号と区別できる。閾値を決定するために，図 3 のセット

座標はガウシアンフィットの平均値。

（ダークパルス）が発生する。これは beam intensity 測高に対して適切な閾値を設定することでビーム由来の信アップでダークパルスのイベントレートを測定した。
+56 V+5 V, −5V

SiPM

増幅回路

以上，3 p.e. 以上の測定データを，閾値（境界）におけ(b) パルスの積分値と検出光子数の対応関係。各点の y2.2.3

β 線源 90 Sr を用いた粒子検出効率の評価

PC

デジタイザ

SiPM②

図 3: ダークパルスのイベントレート測定のセットアップ。SiPM の信号は増幅回路で増幅された後，デジタイザ

でデジタル信号に変換され，PC にデータが保存される。

SiPM①

SiPM(a)粒⼦検出効率測定のセットアップ

まず閾値を設定せずに測定を行い，波高分布からpedestal と 1 p.e.1 を弁別する閾値を決定した。次にその閾値の下で測定を行い，波高分布から 1 p.e. と 2 p.e.

を弁別する閾値を決定した。これをイベントレートが十分小さくなるまで，閾値を上げながら繰り返した。結検出器①検出器②検出器③(b) 粒⼦検出効率の測定に使⽤した三種類の検出器

1 p.e. 以上と 2 p.e. 以上のイベントレートがほとんど等

図 5: (a) 粒子検出効率測定のセットアップ。SiPM は右busy になったためだと考えられる。の側面に固定した。(b) 測定に使用した三種類の検出器。

果を表 1 に示す。閾値は 3 p.e. 以上に設定した。また，しいが，これはイベントレートが高すぎてデジタイザが
表 1: ダークパルスのイベントレート (Hz)

パルス波高の閾値1SiPM○
2SiPM○

1 p.e. 以上
11081121

2 p.e. 以上
10971074

3 p.e. 以上
8418また，ダークパルスの積分値（パルスの電荷量）を用いて，検出光子数の較正を行った。結果を図 4 に示す。

図 4(b) に示すフィット（破線）から，積分値を検出光子数に換算する式が得られた。
1SiPM○

Number of photons = 943 × Integrated pulse − 52SiPM○
Number of photons = 737 × Integrated pulse − 11

1 Photon Equivalent の略。検出光子数が 1 のときの信号の大きさを表す。

下に示すベージュ色のフレームに入れ，灰色のフレーム

左から，加工を施していない物，タイル表面に拡散型反射塗料を塗った物，タイルをアルミホイルで包んだ物。
新型 Beam intensity monitor の粒子検出効率の目標値は 99%に設定されている。図 2 の検出器が目標を達成できているか評価するために，β 線源 90 Sr を用いて検出効率の測定を行った。なお，正常に動作する増幅回路が一つしかなかったため，二つの SiPM について独立に測定を行った。測定のセットアップを図 5 に示す。波長変換ファイバは放っておくと湾曲し，ファイバの断面とSiPM の受光面が平行に couple しない。これはファイバと SiPM の境界における光子のロストを引き起こすため，3D プリンタで作成したフレーム（図 5(a)）で検出器を固定し，波長変換ファイバの湾曲を抑えた。放射線源はタイルの表面に対して垂直に約 4 cm 離れた位置に3120設置した。また，タイル表面から外に出ていく光子を減らす加工を施した検出器（図 5(b)）を二種類用意し，加工を施していない検出器と検出効率を比較することで，検出効率の向上に対する効果を検証した。

破線：マルチガウシアン（信号）＋ランダウ（バックグラウンド）

4 p.e.

4003505 p.e.

300

Number of events

イベント数
Number of events

Integrated pulse distribution

45000
40000

表 2: 粒子検出効率とランダウフィットの MPV
粒子検出効率MPV
1(99.92 ± 1.01)% 8.803 ± 0.015
検出器○2○distribution(94.99± 0.97)% 7.102 ± 0.011
検出器Photon number
3(99.97 ± 0.81)% 10.86 ± 0.02
検出器○がった。拡散型反射塗料は入射光をランダムな方向に反35000射するため，一部の光がタイル内部にトラップ・吸収さ

30000

250200

点線：ランダウ（バックグラウンド）

6 p.e.

3 p.e.

15000

7 p.e.

10000

8 p.e.

50002000

4000

6000

5000

8000

10000

12000

300

Integrated pulse [channels]

パルスの積分値 [channels]
Photon number distribution(a) パルスの積分値のヒストグラム
イベント数
Numberof eventsれたことで，検出効率が下がったと考えられる。

20000

15010025000

45000

破線：ランダウ

40000

25000

3456789
Number of photons

文化や歴史，価値観に触れることができた。研究室のメンバーで朝にコーヒーを飲んだり，一緒に昼食を食べる

41500010000

123456grated pulse [channels](b) 検出光⼦数の分布

789
Number of photons

検出光⼦数

図 6: (a) パルスの積分値のヒストグラム。(b) 検出光子数の分布。各点の y 座標は (a) の各ピークの積分値。赤線は，検出光子数 3 から 8 の部分でフィットした結果を，検出光子数 2 以下，9 以上の部分に外挿したもの。

図 6 に示す結果を元に，次のように検出効率を求めた。まず，図 6(b) の分布を全イベント数（各点の y 座1 ，SiPM○2 で検出した光標の和）で規格化し，SiPM○子数の確率分布 P 1 (x)，P 2 (y) を求めた。次に，!
P 1+2 (z) =P 1 (x) × P 2 (y)を計算することで，二つの SiPM の確率分布を合成した。ただし，和は z = x + y を満たす全ての組 (x, y) についてとった。最後に，この確率分布をランダウ関数でフィットし，以下の式で定義した検出効率を求めた。
" inf
Fitting curve dx
Eﬃciency = Threshold" inf
Fitting curve dx
01 の検出効率は，誤差の範囲
結果を表 2 に示す。検出器○3 の検出で目標値をわずかに下回った。一方で，検出器○効率は，誤差を含めて目標値を達成できた。両者が誤差の範囲で一致し得るため断言はできないが，フィットのMPV(Most Probable Value) が向上していることから，タイルをアルミホイルで包むことは，タイル表面から出ていく光子を減らし，検出効率を向上させる可能性があ
2 の検出効率は下3 とは対照的に，検出器○る。検出器○

今後の抱負, プログラムに望むことプログラムの研究に取り組む中で得られた教訓を忘れ

5000
002

様々な国の人達と交流する中で，日本では知り得ない

20000

12000

生活面でのエピソードのは良い文化だと思ったので，日本でもやってみたい。

35000
30000

10000

1

ず，今後の研究に活かしていきたい。また, 現地で知り合った人との繋がりを大事にしたい。

今後も講義を含むプログラムが対面で開催されることを望む。対面の方が他の Summer student と交流できる場面が多く，参加者の視野を広げる良い機会になる。

5

おわりにプログラム参加を全面的にサポートしてくださった

KEK 職員の皆様，私を温かく迎え入れ，共に研究してくださった supervisor の Emma Buchanan さん，InakiOrtega さん，PhD の Robert Larsen さんをはじめとする SY-BI グループの皆様，お忙しい中推薦状を書いてくださった横浜国立大学 南野彰宏教授，KEK 花垣和則教授，プログラム応募にあたりアドバイスしてくださった東京大学 奥村恭幸准教授に心から感謝申し上げます。

参考文献[1] Inaki Ortega Ruiz. Accurate profile measurementof the low intensity secondary beam in the CERN
experimental areas [Doctoral dissertation]. Ecole
Polytechnique, Lausanne. 2018.
[2] Inaki Ortega Ruiz, et al. The XBPF, a new multipurpose scintillating fibre monitor for the measurement of secondary beams at CERN. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., A 951 (2020) 162996.