２００９年度課題研究P6μ-PIC班
μ-PICによる高速中性子線イメージング

栗本真志
松岡佳大

本実験の目的• μ-PICのガス+GEM増幅率を調べ、μ-PICの扱いに慣れる• 高速中性子による放射線の軌跡を見る
二次元イメージング、三次元トラッキング目次• 1 μ-PICについて• 2 エネルギー較正・ガス増幅率• 3 二次元イメージング① channelと位置の対応② n-p散乱の軌跡と散乱角• 4 おまけ 三次元トラッキング• 5 まとめ1. μ-PICついてμ-PICとは？
• ピクセル型ガス検出器• 二次元画像を高い位置分解能で取得• 放電に対して安定~400μm間隔10cm(256ch)
50μm

10cm(256ch)

比例計数管

μ-PICの検出原理
Drift plane
放射線ASD(カソード)

電子雲

カソード
アノード

雪崩増幅
400μm

50μm

ASD
(アノード)

ガス封じ切り容器(Aｌ)
Ar:C2H6 = 92.26:7.74ASD
カソード
ASD(Amplifier Shaper Discriminator)
アノードガス + GEM 増幅装置
50μm

ポリイミド(絶縁体)5μm
Cuコーティング

70μm

１４０μｍ

Drift Plane-3220V-600V

GEM

-300V
0V

μ-PIC

2 エネルギー較正
ガス増幅率

μ-PICのエネルギー較正
256ch

まずは、μ-PICの増幅率を調べる

・・・• 線源 109Cd,133Ba0ch• アノードASD 256ch→4つに束ねる• アノード電圧 410V~425Vで調べる

以下では代表で 415V ch0 について255ch64chずつ束ねる

0ch 1ch 2ch 3ch

電圧（mV）

FADCの波形から電荷量を求める
Base Line(1600ns)

Area (Charge)~7mV下にThreshold(program)

三点以上連続してThresholdを超えたもののみを抽出（program）
STOP

DiscriminatorのThreshold

Deｌay ~8μsec

時間 (nsec)

ヒストグラム (133Ba)

Mean 97±6.0
Sigma 17.77±4.61

Charge(pC)ヒストグラム (109Cd)

Mean 74.76±3.66
Sigma 9.786±2.601

Charge(pC)Charge (pC)

エネルギー較正

keV

増幅率の求め方
アノード 415V ch0 の場合
Ar+C2H6のW値
エネルギーと電荷の比例関係
素電荷量23.6 eV
3.27 pC/keV
1.60×10-7 pC

全体の増幅率23.6  103 keV
53.27pC/keV 

4.
82

10
1.60 107 pC
ASDの増幅率160（既知）∴μ-PIC+GEMの増幅率
4.82×105/160=3.01×103

増幅率は約3000

増幅率

ｃhごとの増幅率

アノード電圧（V）

ゲイン補正ｃｈごとの増幅率を用いて、1イベントの全エネルギース
ペクトルを求めた (SUM)

ch0

ch1

ch2

イベントごとにそれぞれ増幅率を加味して足し合わせる

ch3

SUMデータ

ゲイン補正有ゲイン補正無エネルギー較正
Charge(pC)

SUMデータEnergy(kev)SUMデータ

ゲイン補正無133Ba

ゲイン補正前mean:29.59±1.55
sigma: 6.614±1.682
分解能（FWHM)=(2.355×6.614/29.59)×100=52.6%

ゲイン補正後
mean:29.24±1.41
ｓigma:5.917±1.571
分解能（FWHM）=（2.355×5.917/29.24)×100=47.7%

ゲイン補正前
mean:23.95±1.02
sigma:3.332±0.914
分解能（FWHM）= (2.355×3.332/23.95)×100=32.8%

109Cd

ゲイン補正後
mean: 22.8±1.2
sigma:2.766±1.022
分解能（FWHM）=(2.355×2.766/22.8)×100=28.6%

3 二次元イメージング① channelと位置の対応

二次元イメージング（Xray mode)
μ-PIC

Encoder
Board（Xray mode）

AS
D

MemoryBoard
一定時間後常時送り続ける

ASD

Clear

threshold
ASD(Cathode)

pulse

PC

pulse
( x , y ) の 256 , 256 channel
ASD＋ clock値（約2msec 単位）(Anode)133Baによるイメージング

μ-PICの位置の調査
ガス封じ切り容器の中でμ-PICがどの位置にあるのかを調べた

ガス封じ切り容器
10cm

μ-PIC(この位置を調べる)

18cm
18cm

133Ba線源

鉛
Mean 76.97±0.25
Sigma 23±0.2

カソード

y(cm)

アノード

channelカソード

X方向(アノード側)6.5-7.5cmのとき

6.5 7.5

アノードx(cm)Anode_channel

X方向(アノード側)の位置

Y方向(カソード側)の位置

3.153cm

4.52cm18cm
アノード側中央より左上に少しずれていたことが確認できた。

カソード側

18cm

約10cm

3 二次元イメージング② n-p散乱の軌跡と散乱角

高速中性子線から、電子雲生成までの過程＋
高速中性子

陽子（水素原子核）

弾性衝突＋

Xray mode

X
3112
5074
103
130
20054・・(x,y)情報 + clock数 (約2msec単位)

Y
230
200
150
140
122
905492・・clock015120120120120300564・
・

9cm
5cm

例 15データ分
252nCfSetup

dd < 0.1 cm

散乱角
例 先ほどのデータより
OK(左)
NG(右)

θcosθ中性子ー陽子散乱のシミュレーション
1.散乱までの距離について

v = 1/nλσAr : C2H6= Balance : 7.74%
標準状態1molの体積= 22400 (cm3)

陽子個数密度 n (個/cm3)= 6.02 x 1023 x 0.0774 x 6 / 22400 = 1.25 x 1019 (個/cm3)
散乱断面積 σ (cm2) (En = 1MeVに対して)= 4 (barn) = 4 x 10-24 (cm2)

λ = 1 / (n ・ σ)
= 2 x 104 (cm)

分布関数

rf(r)  exp(  )λλ = 2x104

乱数Random [0,1] に対してrRandom  1  exp( )λを満たす r を求める。

r  λln(1 Random)

0~10cmで衝突する確率はslopeの逆数がほぼ 2x104

約 0.05％2.散乱角の大きさについて
実験室系

重心系nn入射中性子

Θnp(En) n

陽子 (静止)
p

θpp

反跳陽子

(ER)

1  cos 2E E  cos   ER2nn

P(ER)については

1P(ER )  一定
Enが成り立つエネルギー分布P(ER)1EnEnERE R 1  cosΘ En
2EREncosΘ

cosΘcosθの分布cosΘ  1  2cos2θ
cosθ
cosθ

注. ERが小さすぎると、検出できない+Enにも分布がある
1  EnT2dN
 En edE n

T = 1.42 (MeV):文献値

E R  cos θ  E n2

ERと散乱角の分布

Eｎ最大が10MeVなので境界線はER  cos θ 1024 おまけ
三次元トラッキング

TPC mode・Xray mode + Discriminatorからのトリガ信号
・ x , y , clock (10nsec単位) , FADC波形
clock情報からは、プロット間の相対的な高さが得られる。

23１z(clock)y(channel）

32

１y(channel）
x(channel）

3z(clock)2
１１2x(channel）

3z(clock)35
22 clock = 220ns
13
58 clock = 80nsx(channel）

5 clock = 80ns

14 clock = 224ns

128

133147

まとめ・ ガス増幅率• ゲイン補正• 二次元イメージング
位置n-p散乱・三次元トラッキング

電圧との関係分解能の向上channelとの対応
散乱角の分布FADCとENCORDERの相関おしまい予備スライド