K 0L → π 0ν ν̄ 崩壊実験のための角度測定用ガンマ線検出器の開発
防衛大学校 理工学研究科
境界科学専攻・基礎物理大講座
東條 剛士
平成 19 年 3 月

1目次
第 1 章 序論
1.1 本研究の背景と目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 K 0 L → π 0 ν ν̄ 飛崩壊実験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1 物理的背景 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2 実験の方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 本修士論文の構成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3
3
3
3
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13

第 2 章 試作検出器の製作と読み出し装置の性能
2.1 高エネルギーガンマ線検出器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1 高エネルギーガンマ線と物質の相互作用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2 高エネルギーガンマ線のエネルギーと角度の測定 . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 試作検出器の概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 検出器の構成要素 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 試作検出器の製作 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.1 溝付き鉛板の製作 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.2 ファイバの積層 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.3 ファイババンド ル部の製作 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.4 試作検出器の歪み . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5 検出器各構成要素の性能評価 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.1 シンチレーションファイバの減衰長測定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.2 単体ファイバ読み出しによる IIT-CCD システムの性能評価 . . . . . . . . . .
2.6 まとめ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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14
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43

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価
3.1 ガンマ線ビームを用いた性能評価 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1 ビームテストの目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.2 SPring-8 と LEPS ビームライン . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.3 実験セットアップと読み出し回路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.4 取得データのまとめ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 データ解析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1 バンド ル領域とファイバ領域の設定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2 画素からファイバ座標への変換 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2
3.2.3 混入ガンマ線の評価 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.4 ガンマ線ビームによるファイバ位置の較正 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.5 シャワートラッキング . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.6 角度分解能及び位置分解能 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
解析方法について . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
まとめ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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第 4 章 議論と考察
4.1 入射ガンマ線の位置、角度分解能の要因 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 J-PARC 実験における検出器の有効性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 π 0 の質量の揺らぎ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2 π 0 の崩壊位置の揺らぎ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3 今後の改良 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1 読み出し方法の改良 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.2 製作方法の改良 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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81
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第 5 章 まとめ

86

3.3
3.4

3

第 1 章 序論
1.1

本研究の背景と目的

この研究は、現在計画されている J-PARC(大強度陽子加速器計画：東海村) における K 0 L 中間子
が π 0 中間子、ν 、ν̄ に崩壊する K 0 L → π 0 ν ν̄ 過程の分岐比を求める飛崩壊実験に用いるガンマ線角度検出器の開発を目的として行なわれた。K 0 L → π 0 ν ν̄ 事象の観測は、崩壊により生成される π 0 の平均寿命は (8.4±0.6)×10−17 s と短く、ν と ν̄ は観測することが困難なものであるため、π 0 の崩壊によって生成される 2 個のガンマ線を観測することで行う。これまでに KEK の E391a 実験で全データの 10 %を解析した結果により、崩壊の分岐比の上限値 2.1×10−7 が得られている [1]。K 0 L → π 0 ν ν̄の事象は標準理論で、分岐比が (2.8±0.4)×10−11 と予言されてる [2]。この様に分岐比が他の過程に比べて非常に小さく、π 0 を放出する他の過程がバックグランドになるため、K 0 L → π 0 ν ν̄ の崩壊を同定することは難しい。観測の難しさの原因となっているバックグランド を排除するため、観測するガンマ線のエネルギー、入射角度、入射位置の情報を用い、π 0 を再構成することが有効と考えられる。π 0 を再構成することで、K 0 L → π 0 ν ν̄ で発生した π 0 か、それ以外の過程で発生した π 0 かを区別すれば実験感度の向上が可能となる。
以上のことから、ガンマ線に対して角度分解能、位置分解能、エネルギー分解、検出効率の高い
ガンマ線検出器を考案し 、実験感度の向上を図ることを考えた。今回の研究は、角度及び位置分解能に力点を置いたガンマ線検出器を作製し 、性能評価を行うことが目的である。

1.2

K 0L → π 0 ν ν̄ 飛崩壊実験

1.2.1

物理的背景

CP の破れこれまでの素粒子物理学では対称性とそれに伴う保存則が重要な役割を果たし 、様々な現象を説明してきた。粒子と反粒子を入れ換える C 変換、空間を反転させる P 変換、時間の流れを逆にする T 変換における対称性はよく扱われる。これらを同時に行なう CPT 変換は、今日知られている相互作用について対称性を破らないことが確認されている。しかし 、弱い相互作用において、C 、Pの対称性の破れが確認され 、その後 1964 年に K 中間子における CP の対称性の破れが V.L.Fitch 、
J.W.Cronin によって確認された [3]。

第1章

4

序論

弱い相互作用標準理論において弱い相互作用は、W ボゾン、Z ボゾンによって媒介されるものである。典型的な例として中性子の崩壊過程
n → pe− ν¯e(1.1)
がある。この過程を核子を構成するクォークで表わすと

d→u

(1.2)

であり、図 1.1 に示す。中性子の崩壊反応は、ベータ崩壊と呼ばれ 、歴史的に重要なもので、弱い

図 1.1: 中性子崩壊をクォークで表現した図

相互作用にあわせてニュートリノの存在を予言するものであった。ニュートリノは弱い相互作用でのみ反応し 、検出され難い粒子であるため、最初は n → pe− ν¯e に含まれていなかった。ニュートリノを含まない二体崩壊であるならば 、エネルギー、運動量の保存則から、放出される電子のエネル
ギーは一定になるべきであった。しかし 、観測されたエネルギーは連続スペクトルを示した。このことはエネルギー保存則を破ることになる。この反応で、エネルギー保存則が満たされるためにパウリによってニュートリノが提唱された。
この過程で、それぞれクォーク、レプトンは電荷の異ったクォーク、レプトンに変化する。この様な相互作用を荷電カレント相互作用と言う。一方、反応の前後でクォーク、レプトンが電荷を変化しない中性カレント相互作用と呼ばれる反応もある。例として、e− と νμ の弾性散乱がある (図 1.2)。
小林益川理論CP 対称性の破れの起源について有力な理論として小林益川理論 [4] がある。この理論ではクォー
クは 3 世代あり (表 1.1) 、同様にレプトンも 3 世代ある (表 1.2)。 CP 対称性の破れは第 3 世代のクォークが混合することで発生する。これらの混合を表現するのが λ 、A 、
ρ、
η(Wolfenstein パラメー

第1章

5

序論

図 1.2: 電子と νμ の弾性散乱表 1.1: クォークの世代と電荷
電荷

第 1 世代

第 2 世代

第 3 世代23e- 13 e

u
d

c
s

t
b

表 1.2: レプトンの世代と電荷
電荷

第 1 世代

第 2 世代

第 3 世代

0
-e

νe
e−

νμ
μ−

ντ
τ−

第1章

6

序論

タ) で構成される小林益川行列 VKM (式 (1.3)) である [5]。Wolfenstein パラメータの η は虚数部であり、これが CP 対称性の起源であると考えられている。これらの Wolfenstein パラメータは実験によって決定されるものである。
⎛

Vud⎜
VKM = ⎝ Vcd
Vtd

Vus
Vcs
Vts

⎞

⎛

2

Vub
1 − λ2λ2⎟ ⎜−λ 1 − λ2Vcb ⎠ = ⎝Vtb
Aλ3 (1 − ρ − iη) −Aλ2⎞

Aλ3 (ρ − iη)
⎟
Aλ2
⎠
1

(1.3)

この小林益川行列はユニタリ行列であることから、V ∗ ub Vud + V ∗ cb Vcd + V ∗ tb Vtd = 0(1.4)

であり、図 (1.3) に示す様に複素平面上の 3 角形になる。この三角形はユニタリティ三角形と呼ばれる。

図 1.3: 小林益川行列要素で式 (1.4) を表わしたユニタリティ三角形式 (1.4) を Wolfenstein パラメータを用い、

(1 −
2

λ2
)Aλ3 (ρ + iη) − Aλ3 + Vtd = 0
2

(1.5)

2

となり、変数変換 ρ̄ = ρ(1 − λ2 ) 、η̄ = η(1 − λ2 ) 行なうことでρ̄ + iη̄ +

Vtd
=1
Aλ3

(1.6)

と表現される。これを複素平面で表現すると図 (1.4) になる。

K 0 L 中間子とは
K 0 L は K 中間子の一種で 、電荷を持たない、平均寿命の長い粒子である。平均寿命は (5.18±0.04)×10−8 s であり、平均寿命の短い K 0 S の約 600 倍であり、質量は 498 MeV/c2 である。この粒子が崩壊後にとる主な CP 固有値は− 1 である。

第1章

7

序論

図 1.4: パラメータ ρ̄ 、η̄ で式 (1.6) を表わしたユニタリティ三角形

K 0 L → π 0 ν ν̄ の物理的意義
K 0 L → π 0 ν ν̄ の崩壊比を測定することによって小林益川行列の η の値を求めることができる。崩壊の振幅 A は K 中間子の固有状態
1|K1  = √ (|K 0  + |K̄ 0 ) : (CP = +1)
2

(1.7)

1
|K2  = √ (|K 0  − |K̄ 0 ) : (CP = −1)
2

(1.8)

から考えると、

1
A(K 0 L → π 0 ν ν̄)  A(K2 → π 0 ν ν̄) = √ {A(K 0 L → π 0 ν ν̄) − A(K̄ 0 L → π 0 ν ν̄)}
2

(1.9)

となる。π 0 ν ν̄ は CP= +1 であり、K2 は CP= − 1 であることから K 0 L → π 0 ν ν̄ の崩壊は直接的に
CP 対称性を破る過程である。また、クォークの変化を考えると、図 1.5 、1.6 の様に s クォークから d クォークへの変化であり、この際、クォークの電荷は − 13 e のままである。この様な電荷の変化を伴わないクォークの変化は一次過程では禁止されており、高次の過程でのみ発生する。 更に、遷移行列の虚数部のみが寄与し 、中間状態で t クォークのみが寄与する。t クォークの質量は大きく、
QCD の補正が小さいため、分岐比の理論的不定性は 2 %程度と小さなものになる。崩壊振幅はA(KL → π 0 ν ν̄) ∝ Vtd∗ Vts − Vts∗ Vtd  2iη

(1.10)となり、このことから、K 0 L → π 0 ν ν̄ の分岐比は η 2 に比例する。したがって、図 1.4 のユニタリティ
三角形の高さを知ることができ、クォークの混合を記述する小林益川行列の構造を決定することができる。実験的に、今まで求められた小林益川行列のパラメータは表 1.3 の範囲に絞られている。

第1章

8

序論

図 1.5: K 0 L → π 0 ν ν̄ のペンギンダ イアグラム：W 、Z ボゾンが媒介

図 1.6: K 0 L → π 0 ν ν̄ のボックスダ イアグラム：W ボゾンが媒介

表 1.3: 実験から求められた小林益川行列のパラメータの範囲
パラメータ

値

λ
A
ρ̄
η̄

0.2272±0.001+0.0070.818−0.017+0.0640.221−0.028+0.0170.340−0.045

第1章

序論

1.2.2

実験の方法

9

現在、J-PARC(大強度陽子加速器) では K 0 L → π 0 ν ν̄ の分岐比を求める飛崩壊実験が計画され

図 1.7: J-PARC のビームラインている。大強度陽子加速器からの 30 GeV の陽子を標的に衝突させることで発生する粒子群の中の荷電粒子を磁場で除去し 、中性粒子をコリメータを用いることで広がりを 9 μsr(実験装置の場所
で直径 10 cm) に抑え、K 0 L 以外が崩壊する様な距離をとることで平均 2.1 GeV/c の K 0 L (質量：mK 0 L =498 MeV 、寿命：cτ =15.33 m) ビームを生成する。K 0 L ビームの粒子数は、パルスあたり
K 0 L が 8.1×106 、中性子が 3.4×108 である (En >0.1 GeV)。
実験では 、生成された K 0 L ビームと、これまでに行われた KEK の E391a 実験で用いた検出器(図 1.8) を改良して用いる計画である。崩壊領域は真空にされ 、ビー厶中の中性子と空気の相互作
用を抑制する。
KEK の E391a 実験の概念を説明する。図 1.8 の実験装置は真空の崩壊領域をガンマ線検出器とベト検出器で円筒形に囲み、前方の CsI カロリメータを用いてガンマ線の入射位置とエネルギーを測定するものであった。目的の K 0 L → π 0 ν ν̄ 崩壊反応の識別は、CsI カロリメータで 2 個のガンマ線が検出され 、ベト検出器で他にガンマ線が検出されないことで行う。図 1.9 にガンマ線検出器とベト検出器の配置を示す。
この J-PARC の計画では E391a 実験と同様に CsI カロリメータを用いて、2 個のガンマ線のエネ
ルギーと入射位置を測定し 、π 0 の崩壊位置を K 0 L ビーム軸上に仮定することで π 0 を再構成して崩壊位置を求め、崩壊位置の π 0 のビーム軸に垂直な運動量成分から K 0 L → π 0 ν ν̄ を同定する考えであった。しかし 、この仮定によって K 0 L → π 0 ν ν̄ 以外の過程の π 0 と明確に識別できないことによる、あるいはビーム周辺部に含まれる中性子によって生成された π 0 を混入させる問題が残る。また、CsI 結晶 1 個に 2 個のガンマ線が入った場合、1 個のガンマ線であると誤認することも問題である。そのため、π 0 の再構成を直接的に行い、近接ガンマ線に対して分離能力のある検出器が必要
である。

第1章

10

序論

図 1.8: E391a で用いられた実験装置

図 1.9: E391a 実験で使用されたガンマ線検出器とベト検出器の配置と寸法

第1章

11

序論

K 0 L の崩壊では、崩壊後に荷電粒子を放出する反応
K 0 L → π ± e∓ νe (分岐比：0.3881 ± 0.0027)(1.11)

K 0 L → π ± μ∓ νμ (分岐比：0.2719 ± 0.0025)(1.12)

は、荷電粒子の検出は容易であるため、荷電粒子を含まないといった条件で排除できる。一方で、崩壊後に荷電粒子を含まない反応はバックグランド の要因となる。特に、K 0 L → 2π 0 (分岐比 (8.83 ± 0.08) × 10−4 )(1.13)の π 0 が発生させるガンマ線は 4 個であり、これらのガンマ線を検出できなかった場合、バックグラ
ンドとなる。そのため、K 0 L の崩壊におけるガンマ線の数が 2 個であるか、2 個以外であるかを識別することが重要になる。仮に 4 個のガンマ線のうち、 2 個を検出できなかった場合、2 個のガン
マ線の組み合わせによっては 2 個のガンマ線のエネルギー、角度、入射位置を用いた π 0 の再構成によって排除できる。π 0 の再構成は、ガンマ線のそれぞれのガンマ線のエネルギー (E1 、E2 ) 、入射角度を測定し 、2 個のガンマ線の有効質量 M2γ


M2γ =

(E1 + E2 )2 − (P1 + P2 )2 =

E1 E2 (1 − cosθ)(1.14)

を用いて計算することで行う。ここで θ は 2 個のガンマ線の角度から求められる開口角である。
図 1.10 に π 0 の再構成で区別できる例を示す。π 0 の崩壊位置は解り易くするため、実際よりもビー
ム軸から離して表現している。この例は、2 個の π 0 が発生させるガンマ線のそれぞれ 1 個を検出できなかった場合のものである。後方に放出されることで低エネルギーになったガンマ線は、ガンマ線ベト検出器で検知できない確率が有意になるが 、残りのガンマ線は高エネルギーとなり、検知される。この様な場合、測定される 2 個のガンマ線の有効質量が π 0 の静止質量と違った値となるた
めバックグランド であると判断できる。また、再構成される位置は本来の場所とは違った位置になるが 、違いを認知できる程度ではない。図 1.11 では 2 個の π 0 の片方が発生させるガンマ線を全く検出できないことを考える。図 1.10 と同様に π 0 の崩壊位置は解り易くするため、実際よりもビー
ム軸から離して表現している。仮に、1 つの π 0 からのガンマ線を全て検知できず、他方の π 0 からのガンマ線を全て検知したとすると、π 0 の静止質量、崩壊位置では識別することはできない。しかし 、π 0 の静止質量は 135 MeV であることを考えると、後方に放出されたエネルギーの低い π 0 からの 2 個のガンマ線を両方とも検出されない確率はほとんどない。
同様に、
K 0 L → 2γ(分岐比 (5.46 ± 0.05) × 10−4 )(1.15)の過程が存在する。これも上記の方法で 2 個のガンマ線の有効質量が π 0 の質量になると仮定すると、3.7 倍の質量となり、排除できる。
ビーム周辺に広がった中性子が、ビームから離れた位置で実験装置と相互作用すると考えられる。
そのため、中性子によって発生する π 0 は、2 個のガンマ線から再構成することで求められる崩壊位
置がビームから離れたことを用いて排除できる。

第1章

序論

12

図 1.10: 2 個の π 0 が発生させたガンマ線をそれぞれ 1 個検出した場合：後方に放出されるガンマ線
は低エネルギーであるため検出出来なかったことを示す

図 1.11: 2 個の π 0 の一方が発生させた 2 個のガンマ線のみを検出すると考える場合：1 個の π 0 の放出する 2 個のガンマ線が全て後方に放出される場合

第1章

13

序論

ガンマ線の分離能力についてであるが 、これは検出器の大きさによる。CsI 結晶などの大きさをこれまで以上に小さくすることができれば回避できるが 、これ以上に小さくできるもので検知すればより高い分離能力が得られる。この様なことから π 0 の再構成が出来る (角度、エネルギー、入射位置) が測定でき、検出効率の高いガンマ線検出器を考案する。
また、将来的な計画で、E391a 実験の検出器を図 1.12 の様に増強することも現段階では考えられている。これは崩壊領域を大きくすることで、K 0 L 粒子の崩壊数を稼ぐためである。

図 1.12: 増強された検出器の寸法

1.3

本修士論文の構成

第 2 章ではガンマ線検出器の原理、試作検出器の製作、性能評価について述べる。第 3 章では、

π 0 からの高エネルギーガンマ線のエネルギーに近いガンマ線ビームの得られる SPring-8 でのビー
ムテスト、角度解析の方法と結果、第 4 章では今回の試作検出器を更に向上させるのに必要な要素について述べ、第 5 章でまとめる。

14

第 2 章 試作検出器の製作と読み出し 装置の性能
2.1

高エネルギーガンマ線検出器

2.1.1

高エネルギーガンマ線と物質の相互作用

高エネルギーのガンマ線は、物質と相互作用する際、電子-陽電子対生成反応

γ → e− + e+(2.1)

を起こす。電子-陽電子対生成反応を起こす確率は、電子が物質と相互作用するときに制動輻射線を出す輻射距離を基準に求められる。I(L) を深さ L でのガンマ線の強度、輻射距離を X0 、物質を通過する距離を L とすると、ガンマ線の強度は I(0) = I0 として−7L

I(L) = I0 exp 9X0(2.2)

で得られる。この式 (2.2) から、ガンマ線の通過する物質が鉛であった場合、ガンマ線は 7.2 mm の通過距離 (= 97 X0 ) を進むと 63.2 %の確率で対生成反応を起こすことが求められる。対生成反応で発生した電子-陽電子対は、物質中の原子核の電場の影響を受け、制動輻射を起こす。また、制動輻射で発生する光子のエネルギーは 0 から元の電子 (又は陽電子) のエネルギーまで分布する。その中の高エネルギーガンマ線は更に電子-陽電子対を生成し 、電子-陽電子にエネルギーを分配する。この様な反応をくり返すことによって電磁シャワー (以下シャワー) を構成する個々の粒子のエネルギーは低下し 、生成される粒子数は増加する。ガンマ線は、エネルギーが対生成反応の閾値である 1.022
MeV 近くまで低下すると、コンプトン散乱、光電効果を起こす確率が高くなる。電子、陽電子は物質と相互作用する際、エネルギーが高ければ制動輻射を起こす確率が高くなり、エネルギーが低ければ電離を起こす確率が高くなる。この 2 つの確率が等しくなるエネルギーをその物質の臨界エネ
ルギーと呼ぶ。そのため、シャワーに含まれる電子、陽電子は臨界エネルギー以下になると主に電離損失によりエネルギーを失う。

2.1.2

高エネルギーガンマ線のエネルギーと角度の測定

高エネルギーガンマ線のエネルギー、角度を測定する一般的な手段は、ガンマ線によって発生したシャワーに含まれる荷電粒子のエネルギー付与を測定する方法と、ガンマ線が電子-陽電子対生成
反応を起こし 、発生した電子、陽電子を磁場で曲げ、曲りの度合いを測定する方法がある。前者の例としてカロリメータ [6] があり、エネルギー付与の一部を測定するサンプリング型と、エネルギー

第2章

試作検出器の製作と読み出し装置の性能

15付与の全体を測定する全吸収型がある。後者の例としてスペクトロメータがあり、電子、陽電子の曲り具合いから運動量を求め、ガンマ線の再構成をするものである。

2.2

試作検出器の概要

J-PARC の実験で測定する高エネルギーガンマ線は、発生頻度が極めて低い KL 0 → π 0 ν ν̄ からの π 0 が 2 個のガンマ線に崩壊したものである。実験の方法は、π 0 からのガンマ線のエネルギーと検出器への入射位置を測定し 、2 個のガンマ線が π 0 起源であると仮定して π 0 を再構成することでKL 0 → π 0 ν ν̄ を同定することである。この方法はガンマ線の起源が全て π 0 であり、π 0 の発生源のKL 0 は全てビーム中心にあると仮定しているため、KL 0 → π 0 ν ν̄ 以外の過程で発生する π 0 → 2γ によるバックグランドを排除できない問題が残る。そのため、入射位置に加えて、入射角度も測定す
ればこの仮定を外し 、2 個のガンマ線の起源が π 0 であると判断できる。
ガンマ線のエネルギーと角度を測定するためには、スペクトロメータとカロリメータを組み合わせてガンマ線検出器として用いる方法もあるが 、検出器が大型化する問題があるので新しいタイプの検出器を考案する必要があった。
新しいタイプの検出器の考案にあたって、角度測定を行なう観点から、スパゲッティ型カロリメー
タ (以下 SPACAL) の構造に着目した。SPACAL は、複数のシンチレーションファイバ (以下ファイバ) を有感部、鉛を変換物質とした構造を持つサンプリングカロリメータであり、これまでの実験ではファイバをまとめて光電子増倍管 (Photo Multiplier Tube :以下 PMT) [7] で読み出すことでガンマ線のエネルギー測定に使用されてきた。SPACAL はカロリメータとしてエネルギー分解能はおおよそ √ 5% 、ガンマ線の観測エネルギーはガンマ線エネルギーの約 12 % であることが分っていE[GeV]る。これに加えてファイバを独立に読み出すことで、ガンマ線が発生させたシャワーの空間的な分布を知ることができ、得られた分布から入射したガンマ線の入射角、入射位置の測定が可能になる。
今回、試作した検出器は、以上のことから角度測定を研究の中心課題に置いたものである。試作
検出器の概要を図 2.1 に示す。試作検出器は鉛板とシンチレーションファイバを積層 (75 列 ×78 層)
した部分を中央にして、シンチレーションファイバの一端を PMT(HAMAMATU 2inch H7195) 、他
端をイメージインテンシファイア (Image Intensifier Tube 、HAMAMATU C9016:以下 IIT) に接続
し 、ガンマ線が発生させたシャワーの空間的な分布を IIT で読み出す。PMT は IIT でデータを取得するためのトリガ信号を発生させる。ファイバと PMT はライトガ イド を介して接続された。ライ
トガ イドは 8.5 cm×8.5 cm の面で 5850 本のファイバを受け、直径 5 cm の面で PMT に光を送る。
ファイバ、PMT 、ライトガ イドはオプティカルセメントで接着された。接着の際、ファイバとライ
トガ イド を固定するためにアクリルの枠を用い、枠にオプティカルセメントを流し込んだ。IIT はファイバからの微弱光を増幅する働きも行っており、増幅の調節は 1 〜10 の値のつまみで行う。この値を Gain と呼ぶ。増幅の調節は、増幅型 IIT に印加される 1000 〜1800 V の印加電圧の変化によって行われる。
試作検出器は、直径 1 mm 、長さ 0.75 m のファイバ (Kuraray SCSF-78：シングルクラッド )5850(75
列 ×78 層) 本と、10(縦)×10(横) cm2 の溝付き鉛板 79 枚で構成される (図 2.2 、2.3 、2.4)。10(縦)×10(横) cm2 の寸法の鉛板を選んだ理由は、鉛板の中心にガンマ線を入射させたときに発生するシャ

第2章

16

試作検出器の製作と読み出し装置の性能

図 2.1: 検出器の全体図

ワーが試作検出器の横から漏れない様にするためである。シャワーの粒子が約 90 % 含まれるモリ
エール半径 (R) で横方向のシャワーの広がりを評価する。モリエール半径は式

R = X0 [cm]

21[MeV]Ec [MeV](2.3)

で与えられ、Z は原子番号、臨界エネルギー Ec は式

Ec =

600
[MeV]
Z

(2.4)

で与えられる [7]。ただし 、X0 は物質によって決まる輻射距離である。鉛のモリエール半径は約 1.61
cm であり、プラスチックシンチレータでは約 8.9 cm である。ここで Wpb 、Ws は一定体積における鉛、プラスチックシンチレータの質量の割合であるとすると、それぞれの体積比 (鉛：ファイバ +エポキシ=41.4 :58.6) から Wpb = 0.886 、Ws = 0.114 であり、それぞれのモリエール半径の値を用いて複合物質のモリエール半径を求める式

11
1[cm2 /g] = Wpb+ Ws
Rdetector
Rpb
Rs

(2.5)

から試作検出器のモリエール半径 (Rdetector ) は 2.99 cm であることが計算される [8](検出器の密度は設計値からの計算で 5.31[g/cm3 ])。
積層の奥行の決定は、光の読み出しに使用した IIT の有感面積とファイバの本数からの制限で決定された。IIT の有感面積が直径 10 cm の円内であるため、ファイバは 6000 本が限界であり、ファイバを有感面積に配置する際の形状から 5850 本のファイバしか読みこむことができなかったため、鉛板で 79 層となった。この結果、奥行の設計上の長さは 9.48 cm である。この試作検出器の輻射第2章

試作検出器の製作と読み出し装置の性能

17

距離 (X0detector ) は、鉛の輻射距離 6.37 g/cm2 (X0pb ) 、プラスチックシンチレータの輻射距離 43.7
g/cm2 (X0s ) を用いて式
11
1[cm2 /g] = Wpb
+ Ws
(2.6)
X0 detector
X0 pb
X0 s
から 1.33 cm となる [8]。その結果、試作検出器の奥行は 7.1 輻射距離に対応する。式 (2.2) からガンマ線の試作検出器での反応確率は 99% であり、ほとんどのガンマ線はカロリメータでシャワーを発生させる。しかし 、GeV オーダーの高エネルギーのガンマ線によって発生するシャワーの一部は、検出器の下流部から外に漏れ 、全エネルギーを検出器内に閉じ 込めることはできない。入射位置、入射角度は、IIT-CCD で得られるシャワーの形状の画像から測定する。ファイバの配列は横 75 本、縦 78 層の 1.35 mm 間隔の俵積みである。

図 2.2: 検出器の全体写真

図 2.2 の様に、全ファイバの一方の端は PMT に接続される。PMT の信号は、シャワーの 2 次元
分布データ収集のためのトリガ信号として用いられる。ファイバの他端は、シャワーの 2 次元分布を測定するために IIT に接続される。IIT によりファイバからの微弱光は増幅され 、CCD に送られる。CCD からのビデオ信号をデジタル化してパソコンに取りこみ、画像解析を行った。IIT-CCD

第2章

試作検出器の製作と読み出し装置の性能

図 2.3: 試作検出器をファイバに対して垂直に切った断面図

図 2.4: 検出器をガンマ線入射方向から見た図

18

第2章

試作検出器の製作と読み出し装置の性能19を用いた理由は 5850 本のファイバを独立に読み出すためであり、その技術が CCD カメラにおいて確立していたためである。

2.3

検出器の構成要素

試作検出器は、大きく分けてガンマ線を検知する部分とデータを読み出す部分から構成される。ガンマ線を検知する部分は、溝付き鉛板とファイバで構成されており、ここではガンマ線が入射すると、検出器物質との相互作用によりシャワーが発生する。シャワー中に含まれる荷電粒子は、ファイバを通過する際、シンチレーション光を発生させる。一方、データを読み出す部分は、PMT 、IIT-CCD 、
測定回路から構成される。ここではガンマ線によって発生したシンチレーション光を電気信号に変換、増幅し 、2 次元の画像にする。
ガンマ線を検知する部分は 、1 層あたり 75 本のファイバを溝付き鉛板に配置し 、78 層重ねた構造を持つ (図 2.3)。溝付き鉛板のサイズは 10(縦)×10(横) cm2 であり、検出部の設計上の体積は10(縦)×10(横)×9.48(厚さ) cm3 である。また、細部の構造は、図 2.5 の様なファイバの配置になっている。また、それぞれの物質の密度は 、鉛が ρP b = 11.35 [g/cm3 ] 、エポキシが ρepoxy = 1.10

図 2.5: 試作検出器の細部構造 (上下の方向にガンマ線が入射する)[g/cm3 ] 、シンチレーションファイバが ρscinti = 1.03 [g/cm3 ] である。これらを用いることで、検出第2章

試作検出器の製作と読み出し装置の性能

20

器の密度は 5.31 [g/cm3 ] となる。
データを読み出す部分は、PMT 、IIT 、CCD から構成される。IIT は 2 つの部分から構成され 、大口径 IIT(以下 IIT-1) と MCP 内蔵 IIT(以下 IIT-2) である。試作検出器全体のファイバは 5850 本あり、これを 1 本ごとに読むことでシャワー分布を測定する。5850 本のファイバを IIT に接続する
際、シャワーの 2 次元情報を取得するためにはファイバが規則的な配置であることが望ましい。そのため、ファイバを 3 ×25 本の束 (以下バンドルと呼ぶ) にまとめ、IIT に接続する。図 2.6 に束ねた様子を示す。

図 2.6: 5850 本のファイバをバンド ル (3×25) にし 、バンド ル 78 個を IIT に接続した写真

IIT-CCD の構成を図 2.7 に示す。IIT-1 は有感部が直径 10 cm で、この部分にシンチレーション
光が入り、光電面で光電子を発生させる。光電面はマルチアルカリタイプで、紫外領域から赤外領域までの感度を持つ。光電子の数は、入射した光の量に比例する。発生した光電子は電場によって2 次元情報を維持されたまま面積を 1/16 まで縮小され、蛍光体にあたる。IIT-1 は増幅度が 10 倍程度であり、主な役割はレンズとしてのものである。IIT-1 の印加電圧は 20 kV で、一定である。蛍光体の光は Fiber Optic Plate(以下 FOP) を介して IIT-2 に入る。IIT-1 の蛍光体が発した光が IIT-2に入射し 、再度光電子に変換される。光電子は 2 次元情報を保ったまま Micro Channel Plate(以下MCP) に送られ、最大 106 倍程度まで増幅を受け、蛍光体にあたり、ここでの蛍光が CCD カメラに送られる。IIT-2 の増幅は 1000 〜1800 V の印加電圧で調節され 、IIT-1 の増幅を含めると最大 107倍である。MCP は 2 重構造の、独立した多数のチャンネルを持ち、個々のチャンネル内には電子増幅部が構成されている。また、IIT-2 には外部ゲートの入力が可能であり、ゲートの時間幅 (数十 μs〜数百 μs ) を調整することでガンマ線の重複及びノイズを抑えることができる。CCD カメラは 494(V)×768 (H) ピクセルであり、撮像エリアは 12.8 mm×9.6 mm である。この CCD 画素と 5850 本

第2章

試作検出器の製作と読み出し装置の性能

21

図 2.7: IIT-CCD の構成のシンチレーションファイバの位置を対応させ、どのファイバが発光したのかを知る。CCD の情報
は垂直方向と水平方向で交互に読み出され、記憶媒体に入る前に同期信号で最初の 2 次元情報に復
元される。

2.4

試作検出器の製作

今回の試作検出器はこれまでに SPACAL として作られたことのある構造であったが、製作方法については確立されたものではなかったため製作方法の模索から始めた。この節では検出器を構成す
る部位についての製作方法を説明する。

2.4.1

溝付き鉛板の製作

図 2.3 、図 2.4 に示す形状を持った試作検出器を製作するにあたって、鉛とファイバを規則的に配置し 、各層で位置のバラつきのない様にするため、溝付き鉛板の製作を考えた。この鉛板の溝にファイバを並べ、接着し 、その上に溝付き鉛板を重ねる方法で試作検出器を製作することを考えた。
溝付き鉛板に対する要求は、規則的にファイバを並べられ 、その上に溝付き鉛板を重ねたときにファイバの全周を鉛が包んでいること、溝付き鉛板の各部の厚さにバラツキがないこと、更に溝は10 cm の幅に 75 本平行になっていることである。これらの要求を満たすため、図 2.8 に示す様に金型に厚さ 0.5 mm の純鉛の板を挟み、油圧プレスで 350 kN の力を加えた。純鉛を用いた理由は、様々な種類の硬鉛では、プレスの力が弱ければ溝が浅くなり、強ければ破れてしまったたが、純鉛

第2章

試作検出器の製作と読み出し装置の性能

22ではこの様なことは起きなかったためである。しかし 、できた後に変型しやすいので扱いには注意を払った。また、成型方法も溝の付いたロールで加工する方法、鉛を溶かして型に流しこむ方法も試みたが全てうまくいかなかった。ロールの方法は変形させるのに十分な力を加えるものがなかったこと、溶かす方法は溶けた鉛の粘性が予想以上に強く、型の中心部まで鉛を流し込むことが出来なかったことが原因で失敗した。プレス加工の際、上下の金型と鉛板の間には 30 μm のビニルシー
トを挟んだ。このビニルシートを用いた目的は、金型と鉛板が圧着するのを防ぐためである。この

図 2.8: 鉛板を金型に挟み、プレス加工する様子：突起は 0.55 mm で、上下で合わせると直径 1.1mm の円になる様にして製作した溝付き鉛板 (図 2.9) を用いてファイバ 10 層分を積層した。10 層だけ積層した場
合、設計では 13.2 mm であるが、5 箇所の厚さの測定を行うと 13.2 ± 0.2 mm となった。このバラつきの要因は溝付き鉛板の溝の深さと接着剤によるものであると考えた。

2.4.2

ファイバの積層

ファイバの積層にあたって、それぞれのファイバの中心を溝付き鉛板の中心に合わせなければならない要求がある。また、次のバンドル部の製作で必要になったことであるが、25 本単位 (図 2.11)
で順序を乱さない配列を作らなければならない要求から 1 層あたり 75 本を上、中、下の 3 組 (各 25本) に分けて配列した (図 2.12)。
この様に配列した後に、エポキシ樹脂を用いて溝付き鉛板と接着した。用いたエポキシ樹脂はク
リヤーコートエポキシと呼ばれ 、主剤と硬化剤を混合して使用するタイプのものである。硬化時間は室温 16 度で一晩、25 度で 9 時間必要である。ここで接着剤としてエポキシ樹脂を用いた理由は、

第2章

試作検出器の製作と読み出し装置の性能

図 2.9: プレス加工で得られた溝付き鉛板の断面の拡大図

図 2.10: ファイバを 10 層だけ積層した図

23

第2章

試作検出器の製作と読み出し装置の性能

図 2.11: ファイバ 25 本まとめたものの図

図 2.12: 各層のファイバを 3 組に分ける様子

24

第2章

試作検出器の製作と読み出し装置の性能

25

ファイバに対して悪影響を与えないものでなければならないためである。特に有機溶剤を含む接着剤は、ファイバのクラッド と呼ばれるアクリルの外殻を劣化させるため使用できない。また、エポキシ樹脂は化学的な影響は及ぼさないが大量に塗布すると、硬化熱が溜り、コアと呼ばれる発光部
分の劣化を誘発するので、可能な限り薄く塗らなければならない。

2.4.3

ファイババンド ル部の製作

試作検出器のガンマ線シャワー情報の収集は IIT-CCD を用いて全てのファイバを個々に読み出すことで行われる。この IIT-1 の有感領域が直径 10 cm の円の内側で、全てのファイバを識別できなければならない。そのため、検出器でのファイバの配置が分ったものを IIT-1 の有感領域に配置することが必要になる。また、データ解析の観点から対称性のある配置が望ましい。この様な条件を満たす配置で、できるだけ多くのファイバを配列する方法を検討した結果、縦 3 層、横 25 本のファイババンドル (図 2.13 、2.14) を形成し 、図 2.18 の様に IIT-1 の有感領域に配列することで 5850 本

図 2.13: ファイバ 3 × 25 のバンド ルの様子

第2章

試作検出器の製作と読み出し装置の性能26

図 2.14: バンドルの断面のファイバを読み出せることが解かった。このときのファイババンドルの寸法は 25.8×2.9 mm2 で計算した。この寸法はバンドル作製時に測定した寸法の平均である。ファイババンドルの作製には ,真鍮製の金型 (図 2.15) を用い、水性ペイントで束ねた。水性ペイントを用いた理由は、エポキシ樹脂と同様に、ファイバの外殻を劣化させないもので、作業性から硬化するまでの時間が都合の良いものであったことである。3×25 本のファイバを最密構造で、配置の間違えのない様に金型に並べる時間は 1 個あたり約 20 分かかり、あまり早く硬化するものは使用できなかった。また、ファイバ
を 3 層積層するごとに行なう作業であるため、あまり長時間かかるものも使用には適さなかった。
水性ペイントの場合、風に曝した状態であれば約 30 分で硬化した。今回使用した水性ペイントは、
アクリル、顔料を主成分とする市販のアスペンと呼ばれるものである。
試作検出器のファイバの積層数は、5850 本のファイバの数から決まった。このときの IIT-1 の有感部内でのバンド ルの組み換えの方法は図 2.16 、2.17 の様に行なった。

2.4.4

試作検出器の歪み

試作検出器の完成予定寸法を図 2.19 に、実際の寸法を図 2.20 に示す。それぞれの図は試作検出器
をファイバに対して垂直に切ったものである。 予定していた試作検出器の寸法と完成した試作検出器の寸法では、ガンマ線の進行方向に垂直な方向のシフトがあることと、ガンマ線の進行方向の長さが実際の方が長くなっていることが異なる。

第2章

試作検出器の製作と読み出し装置の性能27

図 2.15: 真鍮製金型の寸法

図 2.16: 組み換え前のバンド ルの配置 (1 個のブロックが 1 個のバンドルを示す):IIT 側から見た図

第2章

試作検出器の製作と読み出し装置の性能28

図 2.17: 組み換え後のバンド ルの配置 (1 個のブロックが 1 個のバンドルを示す):IIT 側から見た図

図 2.18: ファイバを IIT に接続する図 (図 2.1 の右の拡大図)

第2章

試作検出器の製作と読み出し装置の性能

図 2.19: 設計上の試作検出器の断面図

図 2.20: 実際の試作検出器断面図

29

第2章

試作検出器の製作と読み出し装置の性能

30

ガンマ線の進行方向に垂直な方向へのシフト
試作検出器を作製した後、寸法を確認した。これは積層段階で下記の問題があり、これを補正する必要があったためである。図 2.21 に例を示す。本来であれば図 2.21 の左の様に交互に積層されるべきであるが、ど うしても溝同士が噛合わず、図 2.21 の右の様に積層した場所が複数あった。また、これが連続している部分もあった。この様なシフトは最大で 3 本分あり、実際の距離では 4.05mm になる。この様な積層の噛違いのある部分は全てファイバの座標を同じだけシフトさせた。実際の検出器の全ファイバの配置を図 2.22 に示す。しかし 、図 2.20 の寸法は約 8 mm のシフトがあるため、これ以外の要因が残りの 4 mm に寄与している。この要因として考えられるものは、試作検出器を構成している純鉛板の溝の遊びである。純鉛板の溝は直径が 1.1 mm になる様に加工されている。この溝に直径が 1 mm のファイバが並べられるが 、隙間が 0.1 mm 発生する。試作検出器の自重が鉛のみの重さで約 4.5 kg あり、ファイバ 5850 本の重さを加えると約 8 kg になり、自重と隙間で低い方向に曲ったと判断した。この曲りに対する補正は 3.2.3 節で説明する。

図 2.21: 設計と実際の積層ガンマ線の進行方向への伸び
試作検出器のガンマ線の進行方向への伸びは、3.2 mm であり、予定よりも 3.4 %長くなっている。
3.2 mm を 78 層で平均すると、1 層あたり 0.04 mm となる。作製精度を確認する目的で、ファイバ
10 層を積層したサンプルの測定では、設計値が 13.2 mm で、実際には 13.2±0.2 mm であった。このサンプルでは伸びる様子はなく、検出器の誤差は 1 mm 程度であると考えていた。そのため、特定の層に原因があると考え、試作検出器の端を確認したところ、0.3 mm 程度の隙間が数カ所あったが左右で同じ場所ではなかった。また、確認できるのが検出器の端だけであるため、中心部については不明であった。この様なことから試作検出器の進行方向への伸びの原因を特定することはできなかった。最も考えられる事は、サンプルが偶発的に誤差が小さくできたことである。実際の積層では各層が均等に膨らみ、この様な伸びを発生させたと考えると 1 層あたり、0.041 mm 厚くなることである。この伸びは手作業で作製したことから十分あり得ると考えられる。

第2章

試作検出器の製作と読み出し装置の性能31

図 2.22: 実際のファイバの配置

2.5

検出器各構成要素の性能評価

2.5.1

シンチレーションファイバの減衰長測定

今回用いるシンチレーションファイバ (Kuraray SCSF-78 round single cladding fiber) の減衰長は、90 Sr のベータ線を用いてシンチレーション光を発光させ、PMT で平均光電子数を測定することにより算定された。減衰長測定のセットアップを図 2.23 に、回路構成図を図 2.24 に示す。90 Sr のベータ線 (最大エネルギー 2.28 MeV) は直径 1 mm のコリメータで絞られ 、ファイバに入り、ファイバを発光させ、次にトリガシンチレータに入り、トリガシンチレータを発光させる。測定回路は、トリガシンチレータが発光したとき (パルス波高が 50 mV を越えるとき) 、ファイバの発光に対するPMT の出力を ADC で測定するものである。この ADC は、林栄精器の RPC-022 で、フルスケー
ルが − 1000 pC で、ゲートが開放されている間に入った信号の電荷量を積分するものである。ゲートの入力はトリガシンチレータの発光信号を用い、開放時間は 100 ns にした。ゲート入力は、ガンマ線の重複を防ぐために必要である。ファイバはアクリルのガ イド を用いて PMT とグリスコンタ
クトされる。
光電子数の測定では、光電子 1 個に対する PMT の応答を知る必要がある。そのため、PMT に光を入れない状態で、光電面から飛び出す熱電子に対する PMT の信号を ADC に入力し 、ADC chの分布を得た。得られた分布をガウス分布関数でフィットすることで中心値 (p) を 1 光電子の ADC
ch とした (p=9.38±0.05 ch)。また、標準偏差 (σ) も測定され 、後のシンチレーション光の信号をフィットする関数のパラメータとして使用した (σ=3.1±0.1 ch)。同様にペデスタル (入力信号のな
い時の ADC の値) についてもガウス分布関数でフィットし 、中心値 (原点) と標準偏差 (s) が測定さ

第2章

試作検出器の製作と読み出し装置の性能

図 2.23: 減衰長測定実験のセットアップ

図 2.24: 減衰長測定実験の回路構成図

32

第2章

試作検出器の製作と読み出し装置の性能33

図 2.25: シンチレーション光の減衰長測定結果れた (s=1.513 ch)。これらを基に関数1−(x − pN )2
exp(−N̄ )N̄ N
√ √
}
exp{
N!
2(N σ 2 + s2 )2π N σ 2 + s2
N =1

Nmax

R(x) = A(2.7)

を用いてシンチレーション光の ADC ch の分布をフィットし 、平均光電子数を算定した。式 (2.7) は、
光電子数がポアッソン分布に従い、1 光電子に対する PMT の応答がガウス分布に従うと仮定した関数である。PMT からの距離が 300 cm の位置で発光させたときの ADC 分布の例を図 2.26 に示す。
シンチレーション光の測定は、全長 4.7 m のファイバ上を、PMT からの距離を 50 cm 単位で線源を移動させ、それぞれの位置で行なった。光電子数の減少する様子を図 2.25 に示す。図 2.25 の距
離 50 cm の値から試作検出器の中心付近で発光したときの平均光電子数は 6.4 個になった (図 2.25)。
ファイバの減衰長は、図 2.25 のグラフをL(x) = A exp(−λx) + B exp(−μx)(2.8)の関数でフィットすることで得られた。これはファイバの発光は主に 2 成分で、その減衰は短い波
長成分と長い波長成分からなるためである。A 、B は 2 つの成分の x=0 での光電子数である。結果
1/μ=46.6 ± 9.1 cm 、1/λ=369.0 ± 30.0 cm となった (図 2.27)。この結果から発光した場所での光量比は短波長成分:長波長成分＝ 1.2:1.0 、試作検出器で使用する 45 cm では短波長成分:長波長成分=4:9 であった。また、50 cm での平均光電子数は 6.4 個であったが、5 cm 短くなることで平均光電子数は 0.1 〜0.2 個増えることが期待される。

第2章

試作検出器の製作と読み出し装置の性能

図 2.26: PMT から 300 cm 離れた位置での発光の ADC 分布

図 2.27: シンチレーション光に含まれる主な 2 成分の光量の割合

34

第2章

試作検出器の製作と読み出し装置の性能

35

この測定の際、トリガ信号に用いたシンチレータの信号の ADC 分布も得られた。トリガにパルサーを用いた時の分布を図 2.29 、ベータ線入射のあるときの分布を図 2.30 に示す。図 2.29 、2.30 から分布の立ち上がりにバックグランドによるピークが存在することがわかる。
ファイバを通過するベータ線のエネルギー付与を考察する。1 mm のシンチレータを通過するベー
タ線のエネルギー付与は平均で 194 keV であるがファイバの断面の形状は円形であるため、通過する位置で通過距離が変化する。平均のエネルギー付与とする 194 keV はシンチレータの主成分であるポリスチレン 1 cm に対して 1.94 MeV であることから求めた。今回の測定ではベータ線がファイバの断面の円を一様に通過するものと考えると図 2.28 のような通過距離の分布になった。このこと
から平均通過距離は 0.785 mm であり、エネルギー付与の平均は 152 keV となる。

図 2.28: ベータ線が一様にファイバを通過する際の通過距離の分布2.5.2

単体ファイバ読み出しによる IIT-CCD システムの性能評価

IIT-CCD システム、PMT で 1 本のファイバのベータ線による発光を確認する目的で実験を行なった。実験セットアップを図 2.31 、2.32 に示す。この測定は PMT を基準に IIT-CCD の検出効率を算定するものである。
この実験は、ファイバを 90 Sr のベータ線を用いて発光させ、IIT の増幅を Gain 5 、6 、7 にして行なわれた。また、試作検出器におけるガンマ線の入射する位置と IIT-1 の大まかな距離と合わせるためベータ線を入射する位置は IIT-1 から 45 cm の位置とした。この実験で、CCD の輝度の、信号のないときの値を測定すると 76〜78 であった。そのため、輝度の読み出しの閾値を 85 に設定した。また、IIT のゲート幅はトリガ信号から 100 μs とした。

第2章

試作検出器の製作と読み出し装置の性能

図 2.29: ベータ線がないときのトリガシンチレータの信号の分布

図 2.30: ベータ線があるときのトリガシンチレータの信号の分布

36

第2章

試作検出器の製作と読み出し装置の性能37

図 2.31: ファイバ 1 本のベータ線に対する IIT-CCD のデータを確認するための実験セットアップ

図 2.32: ファイバ 1 本のベータ線に対する PMT のデータを確認するための実験セットアップ

第2章

38

試作検出器の製作と読み出し装置の性能

表 2.1: IIT の増幅を 5 、6 、7 と変化させたときの画素分布の広がり

IIT の増幅
IIT Gain5
IIT Gain6
IIT Gain7

X 方向の広がり (σX )2.4 画素4.0 画素5.5 画素Y 方向の広がり (σY )2.2 画素3.4 画素4.6 画素この実験から得られた CCD 画素の 2 次元分布を積算したものが図 2.33 である。IIT の増幅を

図 2.33: 1 本のファイバの発光による CCD 画素の積算画像

Gain5 としたデータを X 、Y 方向 (CCD 画素領域の座標 X:ガンマ線の進行方向 Y:試作検出器の高さ方向) にそれぞれ射影したものが図 2.34 、2.35 である。 図 2.34 、2.35 のデータから、IIT の増幅
が Gain5 での 1 本のシンチレーションファイバの発光は標準偏差から X 方向では 2.2 画素、Y 方向
では 2.4 画素だけ広がっている。同様にゲート幅 100 μs で IIT の増幅を 6 、7 と変化させると、σ は
表 2.1 の様に得られた。
測定では実験セットアップを動かすことはなかったので、ファイバの中心は IIT の増幅を 5 として求められたファイバの座標 (X 方向 405.1 画素、Y 方向 241.3 画素) から ±3σ の範囲での検出効率を調べた。±3σ の範囲で測定を行ったのは 99 %以上の信号が含まれるためである。増幅を増すと σ の範囲が広がっているが、これは低い増幅では輝度を持つことのなかった画素がより高い増幅を受けることで輝度をもつことによると考えられる。この測定で使用したトリガ信号の ADC 分布(図 2.31 で取得) とシンチレーションファイバの ADC 分布 (図 2.32 で取得) を図 2.36 、2.37 に示す。

第2章

試作検出器の製作と読み出し装置の性能

図 2.34: 1 本のファイバの発光による CCD 画素の積算画像を X 方向に射影した分布 (Gain 5)

図 2.35: 1 本のファイバの発光による CCD 画素の積算画像を Y 方向に射影した分布 (Gain 5)

39

第2章

試作検出器の製作と読み出し装置の性能40

図 2.36 からこのときの PMT の ADC 分布から平均光電子数は約 12 個であった。 また、350 ch 以

図 2.36: トリガに用いた厚さ 5 mm のシンチレータの信号の ADC 分布 (300 ch 付近はバックグラン
ド のピークで、480 ch 付近のピークはベータ線の通過によるもの)

下は熱電子による、あるいは回路上のバックグランドと判断し 、トリガ信号の ADC 分布で 350 ch
より大きいものを用いてファイバの ADC 分布を測定すると図 2.38 の分布が得られた。この判断は2.5.1 節でのトリガシンチレータの信号の ADC 分布 (2.36) を基に行った。図 2.36 のトリガ信号の
ADC 分布が 2.5.1 節のトリガ信号の ADC 分布と違うのは用いたシンチレータ、ベータ線源の違いであると考えた。
図 2.38 の、信号のない事象の割合は 8.8 %であった。図 2.38 をガウス分布関数でフィットすると、信号のない事象の約 10 %は信号がある事象によると見積ることができる。その結果、実質の信号のない事象は 7.9 %と算定される。
不感率を求めるために 、表 2.1 を基にして図 2.33 の様な ±3σX 、±3σY の中の事象数と ±3σX 、±3σY の中の事象数に含まれる、輝度を持つ画素が 0 個の事象数を求めると表 2.2 な結果が得られた。このときのト リガ信号は ADC 分布の 350 ch より大きいものを用いた。±3σX 、±3σY の中の事象での輝度を持つ事象の分布を図 2.39 に示す。
表 2.2 から検出効率 (K) を求めるが 、仮定としてファイバの ADC 分布で求めた信号の無い事象(7.9 %) は全て IIT での測定で 0 画素に含まれることを用いた。式 (2.9)

K =1−

B − 0.079A
0.921A(2.9)

を用いて計算した結果、検出効率は表 2.3 の様に求められた。この式 (2.9) で用いる A 、B はそれぞれ表 2.2 の全事象数、±3σX 、±3σY の中の事象で輝度を持たない事象数を表わす。

41

試作検出器の製作と読み出し装置の性能

event

第2章

h1
Entries
41345
Mean
109.5
RMS
60.65

700
600
500
400
300
200
100
00

50

100

150

200

250

300

350

400 450 500
Fiber ADCch

event

図 2.37: 1 本のファイバの信号の ADC 分布

h1
Entries
33129
Mean
109.4
RMS
55.85

350
300
250
200
150
100
50
00

50

100

150

200

250

300

350

400 450 500
Fiber ADCch

図 2.38: 1 本のファイバの信号の ADC 分布 (トリガ信号の ADC 分布の 350 ch よりも大きいものを
用いた)

第2章

42

試作検出器の製作と読み出し装置の性能

図 2.39: 6σX 、6σY の中の事象での輝度を持つ事象の分布

表 2.2: 画素分布の広がり ±3σX 、±3σY に含まれる事象

IIT の増幅
IIT Gain5
IIT Gain6
IIT Gain7

全事象数 (A)

127132101700141812

6σX 、6σY の中の事象で輝度を持たない事象数 (B)
23228
14675
18209

表 2.3: IIT の増幅を 5 、6 、7 と変化させたときの検出効率

IIT の増幅
IIT Gain5
IIT Gain6
IIT Gain7

検出効率

88.7%
92.9%
94.6%

第2章

試作検出器の製作と読み出し装置の性能

2.6

まとめ

43

考案した検出器は、ガンマ線が発生させる電磁シャワーの角度、位置、エネルギーを測定する検出器で、鉛とシンチレーションファイバからなるサンプ リングカロリメータの構造を持ち、個々のシンチレーションファイバを独立に読み出すことでガンマ線の角度、位置を測定するものである。
製作した試作検出器は 、100(縦)×100(横)×0.5(厚さ) mm3 の純鉛板を、ワイヤー放電加工で 75
本の溝を持つ、ステンレス製金型に挟み、350 kN の油圧プレスで加工した溝付き鉛板 (79 枚) とシ
ンチレーションファイバ (5850 本) を用いて製作された。検出器の構造は、75 本の溝にシンチレー
ションファイバを並べ (ファイバの中心間隔は 1.35 mm) 、これを 78 層積層したものである (ファイバの中心間隔 1.2 mm)。設計上の寸法は 100(縦)×100(横)×94.8(厚さ) mm3 であり、実際には100(縦)×100(横)×98.0(厚さ) mm3 となった。試作検出器の密度は 5.31 g/cm3 、輻射距離は 1.33
cm 、モリエール半径は 2.99 cm である。検出器のファイバは、一方を IIT-CCD に接続し 、他方をPMT に接続した。IIT-CCD 側のファイバは 3×25 本 (75 本) のバンドルにして (バンドル数 78 個) 、IIT-1 の有感部に配置した。ガンマ線によって発生した電磁シャワーは 、検出器のファイバを光らせ、光ったファイバを IIT-CCD で読み出す。また、読み出しのトリガとして PMT の信号を用いた。
検出器に用いたシンチレーションファイバの減衰長測定をベータ線を用いて行った結果、長い波
長成分は 369.0 ±30.0 cm 、短い波長成分は 46.6 ±9.1 cm であった。この測定で、PMT から 50 cm
離れた位置での平均光電子数も 6.4 個と測定され 、検出出来ない確率は低いことが確認された。
ベータ線による発光の単体ファイバの読み出しによる IIT-CCD システムの性能評価も行われた。
IIT の増幅が Gain 5 のとき、標準偏差から 1 ファイバの光は CCD で X 方向に 2.2 画素、Y 方向に
2.4 画素広がり、±3σ の範囲に輝度を持つ画素がある場合を条件として検出効率を測定すると 88.7%であった。

44

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価
3.1

ガンマ線ビームを用いた性能評価

3.1.1

ビームテスト の目的

今回のビームテストは、エネルギーが 1.4 GeV〜3.0 GeV 、入射位置が検出器の中心、入射角度
が 0 度及び 5 度の、1 mm×1 mm にコリメートされたガンマ線を用いて行なわれた。ビームテス
トの目的は、高エネルギーガンマ線に対する試作検出器の性能を調べることである。具体的には、
2 次元 (ガンマ線の進行方向に対して進行方向の軸を含む平面) のシャワーの形状からガンマ線の入射位置、角度の分解能を測定することである。そして今回得られた結果を基に J-PARC の実験に必要な性能を持つガンマ線検出器を設計し 、製作することが目的である。エネルギーに対する応答は
KLOE 実験で用いられたカロリメータのテストで、ガンマ線のエネルギーを E とすると、エネル
ギー分解能は 5 %/ E(GeV) 、エネルギーのサンプ リング割合は (11.9±0.1) %であることが分っている [9]。J-PARC の K 0 L → π 0 ν ν̄ 飛崩壊実験で想定される π 0 中間子からのガンマ線のエネル
ギーは 100 MeV から数 GeV 程度であるため、このエネルギーのガンマ線について調べることが望ましい。しかし 、後に述べるタギングカウンタの性能上 1.4〜 3.0 GeV のエネルギー領域のガンマ線
のみエネルギーの同定ができるため、このエネルギー領域のガンマ線に対する試作検出器の性能を
調べた。

3.1.2

SPring-8 と LEPS ビームライン

大型放射光施設 (以下 SPring-8) の加速器は、図 3.1 に示す様に電子を 3 段階で加速し 、最終的には 8 GeV のエネルギーを持った 100 mA の電子ビームを維持する。初段では、電子は全長 140 mの線形加速器で加速される。ここでは電子を約 180 keV で引出し 、25 本の加速管で 1 GeV まで加速する。その後にエネルギー圧縮システム (ECS) でエネルギー幅を小さくし 、2 段目のシンクロト
ロンに送られる。2 段目のシンクロトロンは、周長 396 m の円形加速器で 1 GeV の電子を 8 GeVまで加速する。このシンクロトロンは、1 秒ごとに入射、加速、取り出しを繰り返し 、電子を蓄積リングに送る。最後の蓄積リングは周長 1435.95 m の円形加速器で、ここでは電子ビームはバンチと呼ばれる塊 (最大 1 周で 2436 個) で周回する。蓄積ビームのエネルギーは 8 GeV である。典型的なビームサイズは水平方向 114 μm 、垂直方向 14 μm であり、ビームの角度広がりは水平方向 74
μrad 、垂直方向 0.6 μrad である。

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

45

レーザー電子光ビームライン (以下 LEPS ビームライン ) は、SPring-8 の蓄積リングを周回している電子 (エネルギー Ee =8 GeV) で紫外光レーザー (エネルギー：3.5 eV) をコンプトン散乱させ、0〜2.4 GeV エネルギーの光子ビーム (逆コンプトンガンマ線) を生成する。このビームラインは逆コ
ンプトンガンマ線を用いた原子核・素粒子実験を行う目的で建設された (図 3.1)。図 3.1 の相互作用領域で電子と紫外光レーザーをコンプトン散乱させる。
今回の実験では逆コンプトンガンマ線を用いず、蓄積リングに存在する残留ガスと蓄積電子の散乱で得られるガス制動輻射ビームを用いる。このビームのエネルギー分布は、1/Eγ に従った連続的な分布になる。ここで Eγ はガス制動輻射ビームのエネルギーであり、Eγ = Ee − Ee(3.1)

から蓄積電子のエネルギー Ee と反跳電子のエネルギー Ee から計算される。 加速器の蓄積電子と図 3.1: SPring-8 加速器と LEPS ビームラインの図

残留ガスは相互作用し 、反跳電子とガス制動輻射ビームを発生する。反跳電子のエネルギー Ee は
運動量 Pe を測定することで計算される。この運動量の測定は、反跳電子を偏向マグネットの磁場で曲げた後にタギングカウンタ (図 3.3) で反跳電子の位置を検知することで行なわれる。タギング
カウンタの配置を図 3.2 に示す。タギングカウンタで、電子が検出された位置から曲率半径 (ρ) が求
まり、磁場 (B) と曲率半径 (ρ) の関係はpe [GeV/c] = 0.3B[T]ρ[m](3.2)に従うため、反跳電子の運動量 Pe が算定される。式 (3.2) は、反跳電子の運動量が大きくなるほど反跳電子の検出位置は元の軌道に近くなることを表す。図 3.1 、3.2 の相互作用領域と示している場

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

46

図 3.2: ビームラインでのタギングカウンタの配置：相互作用した周回軌道の電子が偏向マグネットで曲げられることを用いている

所は、加速器の偏向マグネットのない直線部分で、一般的にはここでビームとターゲットを相互作用させる。計算された運動量とエネルギーの関係式
22

Ee = pe + me 2

(3.3)

からエネルギー (Ee ) を計算し 、蓄積電子のエネルギー (Ee ) とエネルギー保存則 (式 (3.1)) からガ
ンマ線のエネルギーを間接的に測定することができる。
今回用いられたタギングカウンタは、10 個のプラスチックシンチレータとシンチレーションファ
イバの束から構成される (図 3.3)。プラスチックシンチレータのうち、1 個だけが信号を発生する事
象を選ぶことにより、約 80 MeV の幅で 1.4 GeV から 3.0 GeV までのガンマ線エネルギーを測定した。反跳電子の位置とガンマ線のエネルギーを対応させるため、PWO カウンタを用いてガンマ線のエネルギーを直接測定し 、各プラスチックシンチレータとの関係を調べた [10]。その結果、表 3.1に示す対応が得られた。事象の選別方法はプラスチックシンチレータのうち、1 個だけが信号を発生する若しくは隣り合うプラスチックシンチレータが 2 個だけ信号を発生するといったことも可能である。1 個だけが信号を発生することで選別を行った理由は図 3.3 から電子がシンチレータの中
心を通ることから測定されるエネルギーが各シンチレータの較正値に近いと考えたためである。これ以外の信号の組み合わせになる事象はタギングカウンタの構造からバックグランドと判断できる。
図 3.3 のファイバの束はエネルギー情報をより細かく知るために用いるものであるが、今回は 1.4 〜
3 GeV の領域での検出器の性能を知ることが目的であり、細かいステップで調べるには取得すべきデータが多くなり、同時に測定回路も複雑になるため使用しなかった。

3.1.3

実験セット アップと読み出し 回路

今回の実験における試作検出器、コリメータ、ビーム検出器系とビームの位置関係を図 3.4 に示す。試作検出器以外の検出器は、バックグランド を排除する目的で使用した。図 3.4 で、各検出器
をビームの上流から順次説明する。コリメータは鉛ブロックの組み合わせで作製され (厚さ 20 cm) 、
ガンマ線ビームを 1 mm×1 mm のサイズに絞るためのものである。荷電粒子カウンタはコリメータ

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

47

図 3.3: タギングカウンタの構成図

表 3.1: 各タギングカウンタが覆うガンマ線のエネルギー範囲

タギングカウンタ番号

エネルギー下限値 (GeV)

エネルギー上限値 (GeV)

エネルギー中心値 (GeV)

0
1
2
3
4
5
6
7
8
9

1.363
1.572
1.753
1.944
2.103
2.271
2.413
2.564
2.693
2.833

1.457
1.668
1.844
2.028
2.183
2.346
2.485
2.633
2.753
2.949

1.410
1.620
1.798
1.986
2.143
2.309
2.449
2.598
2.723
2.891

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

48に当ったビームによって発生する、あるいはガンマ線ビーム中に、ビームラインの上流に設置されているミラー等で発生するシャワーに含まれる電子、陽電子など の荷電粒子を検知する検出器で、
縦 190 mm 、横 370 mm 、厚さ 5 mm のプラスチックシンチレータで構成される。エアロゲルカウ
ンタは屈折率が 1.03 、縦 110 mm 、横 120 mm 、厚さ 60 mm であり、高速の荷電粒子がチェレンコ
フ光を発生することを利用して検知する。アクティブコリメータは、直径 5 mm の穴のある、鉛板とプラスチックシンチレータのサンド イッチ構造を持ち、コリメータで発生するシャワーに含まれるガンマ線を検知する。アクティブコリメータの構成については図 3.5 に示す。宇宙線カウンタは縦1200 mm 、横 270 mm 、厚さ 5 mm であり、試作検出器に入射する宇宙線を検知する。これらの検出器が信号を発生させれば TDC にストップをかけ、データ解析の段階で選別を行った。TDC は、本来スタートとストップの 2 つの信号の時間差を測定する計測回路であるが 、ここでは信号の有無を判別するために使用した。この様なガンマ線以外の事象を識別する検出器をベト検出器系と呼ぶ。

図 3.4: ビーム検出器系の配置：横から見た図

試作検出器は、図 3.4 で制動輻射ガンマ線の方向に対して垂直に鉛板とファイバが積層されており、IIT-1 、IIT-2 、CCD でガンマ線が発生させたシャワーの 2 次元情報を読み取る。また、PMT
で IIT-CCD にトリガをかけた。
実験に使用した測定回路を図 3.7 に示す。ここでの論理回路は NIM 規格のモジュールで組まれ 、
データの取り込みは VME-bus 規格のモジュールを介してデータ収集システムで行なわれた。NIM 規
格は、1969 年に米原子力委員会が制定した素粒子・原子核物理分野の標準的な規格である。VME-bus
規格は、1987 年に IEEE1414 として承認された規格で、現在では多くのプロセッサをサポートする
産業、工業用の標準バスである。
PMT(印加電圧：−1400 V) からの信号はアナログ Fan-in に入り、波高分別器を介して 20 Hz 程

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

図 3.5: アクティブコリメータの構成図

49

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

図 3.6: 宇宙線測定のセットアップ

50

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

図 3.7: SPring-8 のガンマ線実験に用いた測定回路

51

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

52

度のトリガ信号を得る。このとき、波高分別器の閾値は −100 mV に設定し 、この値を越える事象についてデータ収集を行なった。
PMT の閾値に設定した −100 mV が 、ガンマ線のエネルギーではいくらに対応するのかを調べる。図 3.8 にタギングカウンタの 0 番目のシンチレータのみが信号を発生するガンマ線事象の ADC分布を示す。500 ch 付近の立ち上がりは PMT の閾値に設定した −100 mV に対応し 、1000 ch 付近のピークはタギングカウンタの 0 番目によって標識されたエネルギー 1.41 GeV に対応する (表 3.1
参照)。この ADC 分布をガウス分布関数でフィットすることで求めた中心は 974 ch であった。ADC
は、入力が無くても一定の値が持たせているため、その値を零点調整のために知る必要がある。そのため、クロックトリガによって、ガンマ線が入射していない事象の ADC 値を取得し 、ADC 分布を得た (図 3.9)。 図 3.9 から零点の ADC 値は 353 ch であるので、PMT の閾値に設定した −100 mV

図 3.8: タギングカウンタの 0 番目だけが信号を発生した場合の PMT の ADC 分布

は約 334 MeV と求められる。
CCD で得られた 2 次元シャワー情報はアナログビデオ信号としてフラッシュADC(FADC：8 ビット ) に送られ、輝度が一定の閾値を越えるものについてデジタル化される。デジタル化された 8 ビッ
トの輝度情報は FIFO メモリに送られる。FIFO メモリは 32 ビットのデータを 32000 個記憶することができる。FIFO メモリは、CCD の水平、垂直同期信号を発生させる同期信号発生器 (Clock andcoordinate generator:CCG) と同調し 、それぞれ 10 ビットの CCD ピクセル位置情報 X 、Y とデジタル化された 8 ビットのビデオ信号をあわせて 1 つの 28 ビット情報として記録する。

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

53
htemp
Entries
7575
Mean
352.5
RMS
4.054

adc16[0]
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0

330

340

350

360

370

380
adc16[0]図 3.9: クロックトリガで取得した試作検出器の PMT の ADC 値の分布。この分布の中心の ADC
値がガンマ線のエネルギーの零点に対応する

3.1.4

取得データのまとめ実験で得られたデータの種類を表 3.2 に示す。実験では 4 種類の条件でデータを取得した。表 3.2の宇宙線データ以外はガス制動輻射ビームについてのデータであり、これらについてはベト検出器
系からの信号を用いてガンマ線を選別した。これはデータ解析段階でベト検出器系が信号を発生させている事象はガンマ線としないことで行った。宇宙線データは検出器の上方から鉛板とファイバを積層している部分を通過するものについて収集した (図 3.6)。宇宙線データは 、検出器のバンド
ル、ファイバ位置の較正を行なう目的で取得された。このデータについては積層部の上下に配置したプラスチックシンチレータの信号を用いてトリガをかけた。データの内容は CCD での座標 (X 、Y) と輝度、ADC の値、TDC の値である。輝度のデータは 0〜255 の整数であるため、輝度の大きなデータがあれば (シャワーの中心部は輝度が大きくなる) 上限値まで到達する。そのため、上限に達しないように IIT の Gain を 5 に調整した。CCD の輝度の閾値を変化させた理由は、閾値を高くとればシャワーを 2 次元情報にするのに必要なデータも落す可能性があるので、ガンマ線入射のない状態で、閾値を 0 としたデータを取り、このときの輝度情報 (信号のないときの CCD 輝度の値：
67〜70) よりも少し高い値 (75〜 85) を閾値に設定した。この様な CCD 輝度の信号のないときの値の変化は実験中随時確認した。設定した閾値で同様にガンマ線入射のない状態で熱電子の頻度も確認した。また、ビーム入射状態でトリガを 10 Hz のクロックにしてガンマ線の重複頻度も随時確認した。これは、ガス制動輻射ビームのエネルギー分布から、大半のガンマ線は低エネルギーであり、この様なガンマ線がデータ取得時に混入する可能性があり、その影響を確かめるためである。

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

54

表 3.2: 実験で得られたデータ
条件

平均トリガ計数率 (Hz)

取得事象数

計測時間 (h)ライブタイムCCD 閾値 85 入射角 0 度
CCD 閾値 75 入射角 0 度
CCD 閾値 75 入射角 5 度
CCD 閾値 75 宇宙線入射

15.9
15.8
15.8
0.30

167577
61467
15376
8807

16.83
8.30
2.04
8.28

0.174
0.130
0.132
0.978

今回の解析では CCD 閾値 85 、入射角 0 度のデータを用い、ガンマ線の入射位置、角度の分解能を求めた。また、宇宙線のデータを用いて検出器の較正を行なった。

3.2

データ解析

ガンマ線が試作検出器に入射し 、発生したシャワーの情報は全て CCD の画素情報として得られる。CCD の画素情報は CCD 領域の座標 (X 、Y) と輝度 Br の情報を持つ。ここでは得られた CCD
情報からシャワートラッキングを行ない、角度、入射位置を得るまでの手法について説明する。また、今後 CCD 画素の座標 (画素) を (X,Y) 、検出器の座標 (mm) を (Z,Y) と表現する (図 3.10)。

図 3.10: 検出器の座標 (mm) 、CCD 画素の座標 (画素) の取り方を示す図

3.2.1

バンド ル領域とファイバ領域の設定

シャワーの形状を知るために各ファイバを個別に読み出すことを考える。今回用いた CCD は、縦494 画素、横 768 画素の領域を持ち、この CCD 領域の中に全てのファイバを含む。そのため、各ファイバを個別に読み出すために個々のファイバの CCD 領域を決定する必要がある。IIT 表面での各バンドルの配置は製作段階で把握できており、各バンド ル内部でのファイバの配置も把握できている。そのため、各バンド ルの CCD 領域を決定し 、その後に各ファイバの CCD 領域を決定する。

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

55

各ファイバの CCD 領域の決定にあたって、宇宙線の積算データ (図 3.11) を用いた。図 3.11 の分
布の密度が高い部分はファイバが IIT に接続され 、宇宙線によるファイバの発光を検知していることを示している。その周辺部は IIT の光電面で発生した熱電子によって薄く分布している。また、
不感領域と示している場所は IIT-2 の蛍光体の焼きつけによって感度の低い領域である。図 3.12 に
1 事象の例を示す。宇宙線の積算データを用いた理由は図 3.12 の様に、飛跡は CCD 上で直線的な、広がりのない分布になるため、検出器に一様に分布し 、ファイバの存在する領域としない領域の区別が可能であるためである。

図 3.11: 宇宙線データを積算した画像

各ファイバの CCD 領域を決定するために各バンド ルの CCD 領域を決定した。各バンド ルには
3×25 本のファイバが含まれており、バンドルの境界には、ファイバが存在しないため、宇宙線の積算データを CCD 座標の X,Y それぞれの方向に射影することでバンドルの境界は輝度の分布の谷になって現われた (図 3.13 、3.14)。 CCD の X 座標の境界は、図 3.15 の様に極小値をとる画素を選んだ。CCD の Y 座標の境界については図 3.16 の様に輝度分布の高さの平均の半分の位置を選んだ。
バンド ルの境界の決定はこの様にそれぞれの軸に射影した分布を拡大して行なわれた。 78 個のバンドルの X 、Y の境界を求めた結果が図 3.17 である。この様な境界の決め方でバンドル領域の大きさの平均を求めると、ガンマ線の進行方向が 17.03 画素、検出器の高さ方向が 131.6 画素となった。
この平均値から大きく外れるバンド ルがなかったため、バンドルの境界は正しく決定できたと判断した。
次に個々のファイバの CCD 領域を決める。ファイバを独立に読み出すために個々のバンド ル領
域を 75 分割 (3×25) し 、ファイバに対応する領域とした (図 2.14)。X 方向では 5.7 画素、Y 方向では 5.3 画素が 1 本のファイバの領域となる。各ファイバの CCD 領域の決定で、輝度を持つ CCD が第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

56

図 3.12: 宇宙線 1 事象の例

hbrightEntries
Mean
RMS

6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0

100

200

300

400

500

600

図 3.13: 宇宙線の積算画像の X 軸への射影

700
pixel

29561
437.3
132

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

57

brighth
Entries 3415978
Mean
264.8
RMS
97.75

104

103

102
0

100

200

300

400

500

600

700

図 3.14: 宇宙線の積算画像の Y 軸への射影

hbrightEntries
Mean
RMS

5000
4500
4000
3500
3000
2500
2000
230

240

250

260

270

280

290

300

310
pixel

図 3.15: ガンマ線の進行方向のバンド ル境界の例

29561
272.5
27.53

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

58

brighth
Entries 3415978
Mean
192.7
RMS
17.68

104

170

180

190

200

210

図 3.16: 検出器の高さ方向のバンドル境界の例

図 3.17: バンド ルの CCD 領域

220

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

59

どのファイバによるのかを知ることができる。
この様なファイバの CCD 領域の決定方法で、ファイバとその CCD 領域が厳密に対応するかといった問題が残る。ファイバ 1 本の光の広がりは 、1 ファイバあたり平均 5.7 ×5.3 画素の領域にしたこと、2.5.2 節で求めた 1 本のファイバの光が標準偏差で CCD の画素で X 方向に 2.2 画素、Y 方
向に 2.4 画素広がることを基にファイバの光の CCD での広がりをモンテカルロシュミレーションで生成し 、得られた画素分布を解析コード で位置分解能を算定することによって求められた。モンテ
カルロシミュレーションの結果、決定したファイバの CCD 領域内の画素が 1 個以上輝度を持つこととすると検出器の高さ方向の誤差は約 0.9 mm 程度 (4.2 画素) 存在することが確認されている [11]。
この誤差の大きさは、ファイバの発光条件となる CCD 領域内の輝度を持つ画素数に依存し 、画素数を大きくすれば小さくなる。そのため、ファイバが発光したと判断する条件となる画素数の設定を考慮する必要がある。しかし 、平均のファイバの CCD 領域は 5.7×5.3 画素程度であるが、個別に領域を確認すると一定の画素数にはなっておらず、輝度を持つ画素数で閾値を設定すればファイバ
によっては光り難いものが現われる。そのためファイバが発光した条件として、決定したファイバの CCD 領域内の画素が 1 個以上輝度を持つこととする。
また、この条件で問題になるのは 、熱電子ノイズである。熱電子ノイズは IIT の光電面で発生した熱電子が、ファイバが発光したときの様に CCD の画素に輝度を生成することにより発生する。熱電子ノイズは CCD の画素を 1 個だけ光らせることが多い。熱電子によって光ったと認識されたファイバの分布を図 3.18 に示す。図 3.18 のデータは 、CCD 輝度の閾値を 85 としてビームのない状態
でクロックトリガ (10 Hz) を用いて取得した。トリガ 5037 個のうち 677 個の事象に光ったファイバが存在した。割合としては 13.4±1.0 %である。図 3.18 の分布で頻度が低いことと、ほとんどが数本の光ったファイバになっていることから特に影響はないと考えた。そのためファイバが光った条
件は、ファイバに対応した CCD 領域の画素が 1 個でも光ったこととしても問題ないと考えた。(今後この条件を満たしたファイバを光ったファイバと言う。)

3.2.2

画素からファイバ座標への変換

前節で各ファイバに対応する CCD 領域を決定した。この段階ではどのファイバが発光したかといったことは分るが 、検出器の座標での情報は得られない。そのため、各ファイバに座標を与える
ことが必要である。
個々のファイバの位置情報は 2 次元の座標としてデータベースで与えられる。データベースは、検出器上の個々のファイバの中心座標が記載されているファイルである。データベースは、検出器の各層の端のファイバの位置関係を基に、各ファイバがガンマ線の進行方向、検出器の高さ方向それぞれの方向に等間隔に配置されているとして、それぞれのファイバの中心座標について計算され 、作製された。これを基に各ファイバの CCD 領域と座標を対応させた。この様にして光ったファイ
バから検出器のどの位置であるかを知ることができ、シャワーの分布を得ることができる。
ガンマ線の積算データから分ったことであるが 、特定の場所 (0 、5 、6 、7 、8 、69 、71 、72 、77 層の検出器の高さ方向で 33.75mm 以下と 67.5mm 以上) に隣接層のファイバの光が広がっていた (図3.20 に 72 層の例を示す)。光の広がりは IIT-1 の有感部表面にファイバを接続した際、IIT の位置

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

60

図 3.18: 熱電子によって光ったファイバの分布

分解能による揺らぎによって隣接するファイバの CCD 領域に輝度を与えることで発生したと考えられる。光の影響を無くすため、この部分についてはデータを用いない様にした。この様な光の広がりが発生する場所は限定的で、試作検出器の積層の最初と最後の 9 層に入っていることが特長的である。このことから光の広がりの原因は 78 個のバンドルと IIT-CCD を接続するときにバンドルの配列を組み換えたことであると判断した。バンドルの組み換え前の配列を図 2.16 に、組み換え後の配列を図 2.17 に示す。図 2.16 、2.17 の数字はバンドルの番号で、色の付いたバンドルは試作検出器の中心部のファイバを持つバンド ルである。今回の実験ではガンマ線は試作検出器の中心部に入射させているため、主に中心のファイバが発光する。そのため、バンドルの組み換えによって試作器の中心のファイバを持つバンドルとそうではないファイバを持つバンド ルが隣接すれば 、光が広がって、図 3.20 の様なことが起こると考えられる。図 3.20 の中心のピークはこの層における積算
データによるものであるが 、左右のピークは、バンドルの組み換えを行ったことによって発生した光の広がりによって作られたものである。

3.2.3

混入ガンマ線の評価

熱電子の影響と同様に、偶発的に混入するガンマ線の影響を調べた。混入するガンマ線は、データ取得のためのゲートが開放される 100 μs の間に検出器に入射するものである。このデータは CCD
輝度の閾値を 85 としてビームのある状態でクロックトリガ (10 Hz) を用いて取得した。この様なクロックトリガを用いることでガンマ線の入射に関係なく発生する事象についてデータを取得することができる。測定で得られた光ったファイバ数の分布を図 3.21 に示す。図 3.21 を積分することから

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

61

図 3.19: 各ファイバの CCD 領域と座標の変換

図 3.20: 72 層の光ったファイバの積算分布：隣接ファイバの光の広がりの影響を受けていることを示す図

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

62

図 3.21: 偶発的なガンマ線の混入によって光ったファイバの分布

8532 個のトリガに対して 3480 個の事象で光ったファイバが存在する。この割合は 40.8±1.1 %であり、このうちの 13.4±1.0 %が熱電子によるものと考えると、27.4±1.5 %でガンマ線の混入が起こっていると見積もられる。混入するガンマ線はガス制動輻射ガンマ線であることから大半が低エネルギーであると考えられる。そのため、27.4±1.5 %の全てについて角度測定に大きな影響があるとは考えられない。今回のデータで混入したガンマ線のエネルギーを知ることはできないので熱電子の分布を基に影響を見積もる。
図 3.21 と図 3.18 を比較すると、発光したファイバの数とエネルギー付与は比例すると考えられ、
図 3.21 の少ないファイバに存在する分布は熱電子による、或はガンマ線であっても低エネルギーのものであると思われる。そのため、10 本を越えるものがガンマ線の混入による影響を受けるとすると 8532 個のトリガに対して 832 個 (9.8±0.6 %) が相当する。実際のデータ取得は、PMT の信号を用いて行っているため、観測すべきガンマ線の事象が先に入れば問題ないが、混入ガンマ線が先に入れば違ったものを観測してしまう。このことから、混入するガンマ線は約 5 %の事象が、観測しようとしていた事象と違ったものになっていると考えられる。

3.2.4

ガンマ線ビームによるファイバ位置の較正製作した試作検出器には、特に鉛直方向に、積層のシフト及びファイバ溝の遊びによる歪みが発生している。そのため、ガンマ線のシャワーを正しく知るためにはファイバの位置を較正しなければならない。
次に、ファイバ溝の遊び及び積層のギャップによって発生した歪みの補正を行う。この様な歪み

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

63

は、ファイバの直径が 1 mm であるのに対して、ファイバ溝の直径は 1.1 mm であることから発生したと考えられる。積層のギャップによって発生した歪みは、検出器の外側から確認できなかった。
分離することのできなかった 2 つの要素による歪みを補正する必要がある。補正には角度 0 度で入射したガンマ線のシャワーを用いた。ガンマ線のシャワーは事象毎に揺らぐが 、積算データを用いることで平均的な分布を得ることが出来、ファイバ溝の遊びによって発生した歪み及び積層のギャップによって発生した歪みはここに現われると考えた。
ファイバ溝の遊び及び積層のギャップによって発生した歪みの補正は、最初に光漏れの領域を排除して、それぞれの層について光ったファイバの分布を求めることから始める。次に関数F (x) = A exp−(x − mean)2
+B
2σ 2

(3.4)

を用いて得られた各層の分布をフィットし 、中心値を求める。ここで用いられる式 (3.4) はガウス分
布関数に定数を加えたもので、定数項がバックグランドレベルに対応する。20 層の例を図 3.22 に示す。次に、求めた各層の中心値 (図 3.23) と検出器の高さ 50 mm の位置との差が補正すべき量と

1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0

10

20

30

40

50

60

70

80

90 100Y mm

図 3.22: 20 層におけるガンマ線の積算データを関数 3.4 でフィットした例

考え、各ファイバの座標を較正した。
これまでのシャワーの CCD データから検出器におけるファイバの座標データへの変換、光漏れの排除、ファイバ位置の較正を行ったときの例を図に示す。
2.4.4 節で述べた様に、ガンマ線の進行方向の寸法の違いの原因を特定できないため、較正は正確に行なえないが、仮に均等に膨脹したと考えれば 、測定値に対する影響は角度を 3.4 % 小さく見積もると考えられる。3.4 % は設計での検出器の長さが 94.8 mm であるのに対して実際の寸法が 98.0
mm であることから計算した。

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

64

図 3.23: 積層のシフトを補正して出した各層の中心のプロット (下流になるほど 高い位置に中心が移動しているのがファイバの遊びによる検出器歪みを示している)

図 3.24: 1 事象のシャワーの CCD データから検出器におけるファイバの座標データへの変換、光の広がりの排除、ファイバ位置の較正を行ったときの例

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

3.2.5

65

シャワート ラッキング

ガンマ線の入射方向を知るために、シャワーの形状を求める。ガンマ線は、直接検知することができないので、ガンマ線が発生させたシャワーを検知して入射方向を調べる必要がある。この作業をシャワートラッキングと呼ぶ。ガンマ線のシャワーの CCD データから光ったファイバの座標デー
タに変換した例を図 3.25 に示す。プロットはファイバの中心座標で、集中している部分がシャワーの中心部であり、孤立した点はシャワー中心で発生した低エネルギーガンマ線によって発光したファイバである。シャワートラッキングには孤立した点を排除したシャワーの中心部の情報を用いる。

図 3.25: 単一事象の光ったファイバの 2 次元分布の例

ガンマ線のシャワートラッキングは、図 3.25 の様な光ったファイバの分布から、事象ごとに、各層の光ったファイバの Y(試作検出器の高さの座標：mm) 座標での分布 (例えば図 3.26) を用いて行なわれた。まず、大まかなトラッキングを行なうために、最初に、各層の光ったファイバの Y 座標
分布を求め、その分布の平均値をプロットする (図 3.23)。各層 (Y 座標) の平均値の誤差は、各層のガンマ線の積算データを式 (3.4) でフィットすることで求められた中心値を基準にして、各事象における光ったファイバの平均値について求めた分散の 2 乗根を用いた。各層毎に求めた分散の 2 乗根を図 3.27 に示す。この分散の 2 乗根 (図 3.27) から分る様に、3.2.3 節で述べた検出器の入射面及び射出面の 10 層の間が大きな値になっており、光の広がりの影響を受けている。この様にして得られたグラフを 1 次関数でフィット (図 3.28) する。ここで得られた関数を f1 と呼ぶ。
光漏れとシャワーの周辺部、コンプトン散乱で発生する低エネルギーガンマ線によるファイバの発光はシャワーの中心部より広がった位置に発生し 、シャワートラッキングの誤差の原因になると考えられる。この様なファイバの発光データ (図 3.25 の離散したプロット ) を排除するために以下の第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

図 3.26: ある事象の 50 層におけるファイバ分布の例

図 3.27: 事象毎に求めた各層の分散の 2 乗根

66

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

67

図 3.28: 最初の 1 次関数フィットの例

手法を用いた。
光漏れについては試作検出器の較正の段階で行なった様に、特定の場所についてデータを用いないことで排除した。シャワーの周辺部、低エネルギーガンマ線データの排除は、シャワーの中心部のデータのみを用いることで排除する。シャワーの中心部のデータを取り出すため、最初のフィットで得られた 1 次関数 f1 を計算し 、f1 から傾き A 、Y 切片 B を求め、各層での関数の値を求め、

k = A(1.2Z) + B(3.5)(式 (3.5):Z=層、k=検出器の高さの座標) 、基準値 k とする。この基準値 k±5 mm の範囲に存在する光ったファイバのみを用い、新たに分布とその平均値、分散を求める。
基準値 k からの幅 W は、実験データを基に 2〜10 mm について 1 mm ステップで、ガンマ線について、入射角分布の広がり及び入射位置分布の広がりについて調べ、決定した (図 3.29 、3.30)。 図
3.29 、3.30 から 5 〜6 mm で入射角分布の広がり、入射位置分布の広がりが最小になることが分った。この要因として考えられるものは、シャワーの広がり、低エネルギーガンマ線によるバックグ
ランド の排除とシャワーの中心部の排除のバランスである。幅 W を狭くとればシャワーの中心部を失い、広くとればシャワーの周辺部、低エネルギーガンマ線によるバックグランドを多く取り込
むことになり、この様な極小値をとる幅 W が現われると考えた。シャワーの下流部は広がっており、モリエール半径が 2.99 cm であることからこの幅を 2.99 cm 以下にすると、シャワーの中心部の情報を排除することになり、角度分解能は悪化すると思われた。しかし 、角度測定に必要な情報
はシャワーの中心部のみであり、モリエール半径ほどの幅は必要ではない。シャワーの広がりを光ったファイバの分布にしたとき、シャワーの広がりの度合いを調べるため、ガンマ線の積算データをAngler Rezorution[degree]

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

68

2.4
2.2
2
1.8
1.6
1.4
1.2
11

2

3

4

5

6

7

8

9

10
11
W[mm]

Position Rezorution[mm]図 3.29: 基準値からの幅 W の変化に対する、角度分解能の推移

2
1.9
1.8
1.7
1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
11

2

3

4

5

6

7

8

9

10
11
W[mm]

図 3.30: 基準値からの幅 W を変化に対する、入射位置分解能の推移

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

69

用い、各層の光ったファイバの分布を関数 (式 (3.4)) でフィットして得られた標準偏差を求めた。結果を図 3.31 に示す。図 3.31 から最大で 6 mm 程度の広がりになっていることが分り、幅 W の極小値に対応している。

図 3.31: 各層のファイバの積算分布をガウス関数でフィットし 、標準偏差をプロットした図

先述の様に、幅 W を用いることで鉛直方向のバックグランドを排除し 、角度分解能、入射位置分解能の向上を図ったが 、水平方向にも何かの基準を用いることで更に角度分解能、位置分解能の改善が可能になると考えた。特に、上流部ではシャワーは広がってないため、シャワーの周辺部、低エネルギーガンマ線によるファイバの発光とうまく分離しなければならない (S/N が悪い)。そのため、上流部のバックグランドを切り離すことを考えた。図 3.32 に 2 層でのガンマ線の積算データを、
図 3.33 に 1 事象のデータを示す。 この様に、上流部のある層では 1 本しか光ったファイバは存在しない場合もある。この様なファイバは、各層の情報だけではバックグランド と区別することが困難である。そのため、ガンマ線の進行方向のシャワーの発生位置を決めることでシャワー上流部のバックグランドを排除し 、角度分解能の向上を図った。これはシャワー発生位置より上流に存在す
るバックグランドを排除することであり、発光した層としてない層の区別を行い、シャワーが発生した層を知る目的で 1 次元クラスタ化を行った。1 次元クラスタ化は、試作検出器の 0〜77 層について光ったファイバのある層に 1 、無い層に 0 を与え、仮想的に -1 層と 78 層に 0 を与える (図 3.34)
ことから始めた。1 の塊をクラスタと呼び 、0 をギャップと呼ぶ。i はクラスタ、ギャップの番号、クラスタの長さをクラスタサイズ (Ci ) 、ギャップの長さをギャップサイズ (Gi ) と表現する。シャワーの発生位置の条件は Ci > 2 若しくは Ci ≤2 かつ Ci+1 ≥2 かつ Gi+1 ≤4 のとき、Ci の最初の層であるとした。それぞれのサイズは実験データを基に決定した。このアルゴ リズムによって求められたガンマ線の進行方向のシャワーの発生位置を図 3.35 に示す。図 3.35 は得られたガンマ線の進行方

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

70

図 3.32: 2 層目におけるファイバ分布の積算

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0
0

10

20

30

40

50

60

70

80

90 100Y mm

図 3.33: 2 層目における 1 事象によるファイバ分布

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

71

図 3.34: クラスタ化したときのクラスタサイズ (Ci ) 、ギャップサイズ (Gi ) の例

向のシャワーの発生位置の頻度分布であり、直線は a, b をパラメータとして関数

N (x) = a exp(−bx)(3.6)

で頻度分布をフィットし 、対数をとったものである。フィットの範囲はシャワーの漏れの影響が少ないと思われる 60 mm までとした。図 3.35 からフィットは検出器中流までは合っているが、下流部は合わない。これはガンマ線によるシャワーが検出器下流部から漏れているため、その事象における検出器に対するエネルギー付与が小さくなり、波高弁別回路のの閾値を越えないものが現われたことによる。N (L) は対生成反応数、L を検出器内の深さ、X0 を輻射距離とするとN (L) = N0 exp(

−7L
)
9X0

(3.7)

であることから図 3.35 は直線でフィットされ 、フィットに用いた関数 (3.6) の定数 b は検出器の輻射距離である 1.33 cm から 0.059 mm−1 と予想された。しかし 、得られた定数は 0.078 mm−1 であり、この値から検出器の輻射距離を求めると、約 1.0 cm となる。この要因を考察する。今回の検出器におけるシャワー発生位置についてのシミュレーションは行っていないので明確なことは分らないが、上流部における光った層の検出を失敗した、あるいはノイズとの分離を失敗したため、輻射距
離が違って現われた可能性がある。そのため、ファイバの検出効率 (2.5.2 節で求めた) について再検討する。2.5.2 節で求めた検出効率は CCD の輝度閾値を 85 にして求められた値であり、CCD の
輝度閾値の 85 はビームテストと同じである。しかし 、信号のないときの CCD の輝度の値はビームテストよりも 10 高い値であるため、信号のないときの CCD の輝度の値と閾値の差を合わせて検出効率を求める。このときの CCD の輝度閾値は 95 である。CCD の輝度閾値以外は 2.5.2 節と同じ条件を用いた。結果を表 3.3 、3.4 に示す。 表 3.4 の gain5 からこれまで考えていた検出効率よりも14.3 %低い 76.2 %であることが分った。しかし 、ここで用いた検出効率は、90 Sr のベータ線であり、ファイバを通過する荷電粒子は 1 個である。今回のビームテストにおける検出器の上流部では

72

Count

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

104

103

102

10
0

20

40

60

80

100
Zmm

図 3.35: アルゴ リズムで決定したガンマ線の進行方向 (Z) のシャワー発生位置の頻度分布のヒスト
グラムとそのヒストグラムを式 (3.6) でフィットし 、対数をとったもの

表 3.3: 画素分布の広がり ±3σX 、±3σY に含まれる事象 (CCD 輝度閾値 95)

IIT の増幅IIT gain5
IIT gain6
IIT gain7

6 全事象数 (A)127132101700141812±3σX 、±3σY の中の事象で輝度を持たない事象数 (B)
40255
16251
19557

表 3.4: IIT の増幅を 5 、6 、7 と変化させたときの検出効率 (CCD 輝度閾値 95)

IIT の増幅IIT gain5
IIT gain6
IIT gain7

検出効率

76.2%
91.9%
94.1%

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

73

シャワーは広がっておらず、生成された電子-陽電子対が同じファイバを通過すると考えられる。そのため、表 3.4 で求めた検出効率よりも高い値になると期待でき、光ったファイバを検出出来ない
確率は 25 %よりも低いと考えられる。また、この様なことが起こったとしてもランダムに発生するものであるため、3.3 mm の差になるとは考え難い。
他の要因を考えると、実際の輻射距離が予想以上に短くなってしまった可能性がある。これは鉛板の厚さが設計通りの厚さになっていないことによるものであるが 、鉛板の厚さは確認方法がなかったため測定できていない。検出器の厚さは全体として 94.8 mm になる予定が 、実際には 98.0 mmになっている。この差が全て鉛板の厚みと考えると、1 層あたり 0.04 mm だけ鉛板が厚くなったことになる。この影響は密度では 5.31 g/cm3 から 5.49 g/cm3 へ変化することになる。式 (2.6) で用いた ( Wp b 、WS ) は (0.886 、0.114) から (0.893 、0.107) と変化し 、輻射距離は 1.28 cm となり、短い
方向に修正される。また、鉛板の溝が浅く、厚みが増していることから推測されることは、溝の直径が 1.1 mm よりも小さくなっていることである。これも輻射距離を短くする方向に影響を及ぼし 、結果として輻射距離が約 1.0 cm となったと考えられる。例として、鉛板の溝がファイバの直径と同
じ 1 mm 、各層の間隔が 1.25 mm に変化したとき (図 3.36) 、検出器の密度と輻射距離について計算
すると密度は 6.45g/cm3 、輻射距離は 1.04 cm となった。このことから実際の細部の構造は確認で

図 3.36: 鉛板の溝 1 mm 、各層の間隔が 1.25 mm に変化した例

きないが、鉛板の寸法のずれによって輻射距離が今回の様に 30 %程度変化することは起こり得ると判断した。
シャワー発生位置の決定が間違いではないことの確認として、1 事象のシャワー分布とフィットした直線を重ねた図 3.37 を例として示す。光ったファイバ分布とクラスタ化し 、シャワーの範囲を決めてシャワートラッキングの直線の位置を重ねてみると、85.0±16 % で上手くできている。これは

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

74

20 事象の中の 17 事象でシャワー発生位置と直線の始まりの位置が一致していることで判断した。
この判断は目視で行ったため、主観を排除できないが 、シャワーの中心に直線が重なり、直線の開図 3.37: ファイバ分布と直線の位置を重ねて確認した例

始位置とシャワーの始まった位置にギャップがなければ間違ったことを行っていないと考える。
この様にしてシャワーの発生位置を求め、発生位置から下流の範囲だけを再度 1 次関数フィット
し 、ここで得られる関数 f2 を用いて角度を求める。フィットの範囲を制限した例を図 3.38 に示す。
フィットの範囲はシャワー発生位置から数センチで角度分解能、位置分解能は良くなると思われた。
数センチと考えたのは検出器の放射長の数倍程度の情報は揺らぎが小さく、重要な情報であると考えたためである。しかし 、実際に角度分解能、位置分解能を確認すると図 3.39 、3.40 の様になり、今回の検出器の大きさの範囲では、5 cm 以上でほぼ一定の値になり、長くすると良くなる傾向が得
られた。

3.2.6

角度分解能及び位置分解能

0 度入射ガンマ線の入射角度、入射位置は関数 f2 の傾き、Y 切片を基に求められる。エネルギーが 1.4〜 3.0 GeV のガンマ線について求めたそれぞれの分布を図 3.41 、3.42 に示す。これらの分布から角度分布の標準偏差は 1.6 度、入射位置分布の標準偏差は 1.2 mm であると求められた。
入射位置分解能はガンマ線の角度とシャワー発生位置によって決まる。入射位置分解能を求める
際、ビームのサイズは入射位置の広がりに影響しているのでこの影響を排除しなければならない。
ビームのサイズは 1 mm ×1 mm であるので、ビームの広がりは入射位置分布の標準偏差に約 0.29mm の寄与がある。しかし 、今回ビームサイズの影響は位置分解能に比べて小さく無視できる。

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

75

sigma[degree]

図 3.38: フィットの範囲をシャワー発生位置から下流に制限した例

10
9
8
7
6
5
4
3
2
10

20

40

60

80

100
L(mm)

図 3.39: フィットの範囲を変化させたときの角度分解能

sigma[mm]第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

76

3.5

3

2.5

2

1.5

10

20

40

60

80

100
L(mm)

図 3.40: フィットの範囲を変化させたときの位置分解能解析に用いたデータは 12026 事象であり、角度、位置を測定できたガンマ線は 11461 事象であり、95.3 ±0.4 %のガンマ線について測定可能であった。角度、位置の測定ができなかった事象は、クラスタ化を行ったとき、ガンマ線進行方向のシャワー発生位置を決定したが 、この決定条件であるク
ラスタサイズ Ci 、ギャップサイズ Gi の条件である Ci >2 或は Ci ≤2 かつ Ci+1 ≥2 かつ Gi+1 ≤4 を満たすクラスタがなかったものである。
タギングカウンタを用いてエネルギー領域を分割し 、角度分解能のエネルギー依存性を調べた結果を図 3.43 に示す。角度分解能のエネルギー依存性はエネルギーが大きくなるのに伴って向上する
傾向が図 3.43 から分る。同様に、位置分解能のエネルギー依存性を調べた結果を図 3.44 に示す。位
置分解能は図 3.44 からエネルギーに依存せず、平均 1.1 mm であった。この要因を考えると、シャワー発生位置はエネルギーに依存しないため、この様な結果になったと考えられる。

3.3

解析方法について解析方法の考察であるが 、幅 W 、範囲 L の変化によって分解能が図 3.29 、3.30 、3.39 、3.40 の様に変化することを考える。W 、L はそれぞれノイズを排除する幅、フィットする範囲を表わす。幅W の変化で、角度分解能、位置分解能は W が 5 〜6 mm のときに最良になっている。この理由はシャワーの広がりが大まかに 5 〜6 mm であることに起因していると考えられる。そのため、広くW を設定するとノイズを混入させる割合が高まり、W を設定するとシャワーを部分的に排除する割合が高まり、分解能を悪化させると思われる。範囲 L は 5 cm 程度でほぼ一定値に達し 、長く設定するほど 角度分解能、位置分解能は向上する結果であった。この要因は角度測定の方法に依存して第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

図 3.41: 測定できたガンマ線の入射角度の分布

図 3.42: 測定できたガンマ線の入射位置の分布

77

sigma[degree]

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

78

χ2 / ndf
p0
p1

2
1.9

3.564 / 81.232 ± 0.1712
0.6763 ± 0.1217

1.8
1.7
1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
1
1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8
3
E(GeV)

図 3.43: 角度分解能のエネルギー依存性

図 3.44: 入射位置分解能のエネルギー依存性

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価79いるものだと考えられる。ファイバの位置の揺らぎは 0.9 mm と計算されたが、これに対して範囲
L が大きくなれば横軸 L と縦軸 0.9 mm のなす角の揺らぎは小さくなる。角度は 1 次関数の傾きで求めており、結果として y 切片で求める位置の揺らぎも小さくなると考えられる。

3.4

まとめ

試作検出器の高エネルギーガンマ線に対する性能評価を行う目的で、SPring-8 のガス制動輻射ビームを用いたビームテストを行った。ビームは 1×1 mm2 にコリメートされ 、ガンマ線のエネルギーはタギングカウンタで測定される 1.4〜3.0 GeV のものを用いた。データは 、ガンマ線については
CCD の輝度の閾値を 85 、入射角を 0 度としたもの、CCD の輝度の閾値を 75 、入射角を 0 度としたもの、CCD の輝度の閾値を 75 、入射角を 5 度としたものについて取得し 、宇宙線については
CCD の輝度の閾値を 75 としたものを取得した。このビームテストで確認した性能は検出器に対するガンマ線の入射角度、入射位置である。エネルギーに対するテストはこれまでに行われ 、エネル
ギー分解能が 5 % / E(GeV) で、サンプリング比は約 11.9±0.1 %であることが分っているので行わなかった。
ファイバを個別に読み出すため、それぞれのファイバに CCD 領域を与え、与た CCD 領域の画素を用いて独立に読み出す。この領域の決定は、検出器を均等に通過すると考えられる宇宙線の積算
データを用いた。決定したファイバの CCD 領域は平均 5×5 画素になったが、全てが同じにはならなかった。ファイバの検出器における位置は、ファイバの中心座標を、ファイバの中心間隔が 1.35
mm 、1.2 mm であることから計算し 、データベースに入力して与えた。
ファイバが光ったと判断する条件は CCD 領域の画素が 1 個以上輝度を持つこととした。この条
件は 、全ての CCD 領域が同じ画素数で指定できなかったことと、熱電子の影響がシャワー分布に影響を及ぼすものではないと判断したことで決定した。発生頻度は 13.4±0.1 %で、ファイバにすると数本程度であった。
また、ガンマ線データに 2 個以上のガンマ線が混入する割合も確認し 、10 本以上のファイバを光らせるものの割合は 5 %以下であると見積もることが出来た。今回の検出器の性能評価では、ガンマ線のエネルギー以外は同じ条件であり、その割合が低いことから大きな影響はないと考えた。
今回製作した検出器は、特に鉛直方向の、歪みが発生したため、較正する必要があった。歪みの原因は溝の噛み合わせを間違えたこと、ファイバの直径が 1 mm であるのに対して溝の直径が 1.1
mm であるために遊びが発生したことが考えられる。溝の噛み合わせの間違いによる歪みは、ファイバの中心座標を入力したデータベースを修正することで補正した。遊びが発生したことによる歪みは 、0 度入射のガンマ線データを積算し 、各層の中心を全て検出器の高さ 50 mm の位置にシフトすることで補正した。ガンマ線の進行方向の歪みは、設計では 94.8 mm であるのに対して実際は98.0 mm になっているものである。しかし 、この要因は明確にすることができず、角度を 3.4 %小さく見積もると予想するのに止まった。また、IIT-1 の有感部に接続する際、バンドルの組み換えを行うことで、上流、下流のそれぞれ 9 層に IIT 表面での光の広がりれが発生した。この影響を無くすために、光の広がりの影響を受けている部分のファイバはデータに用いなかった。
上記の様な較正を行った後に、ガンマ線のシャワートラッキングを行った。シャワートラッキン

第 3 章 ガンマ線ビームを用いた試作検出器の性能評価

80

グはガンマ線の電磁シャワーの中心部を用い、各層におけるシャワー中心をプロットし 、これを直線でフィットする。得られた直線から ±5 mm の範囲にあるファイバのみを用いてもう一度各層の中心を求める。これを用いて光った層と光ってない層の区別を行い 1 次元のクラスタ化を行い、シャワーの発生した層を求めた。その後に、シャワーが発生した層から下流全てに渡ってもう一度直線
フィットする。得られた直線の傾き、Y 切片からガンマ線の入射角度、位置を求めた。
0 度入射ガンマ線の入射角、入射位置分布からそれぞれ標準偏差 1.6 度、1.2 mm の結果が得られた。0 度入射ガンマ線の解析結果からそれぞれのエネルギー依存性は、角度分解能はエネルギーの増加に伴って向上する傾向があり 1.23/ E(GeV)+0.68 度、位置分解能は 1.1 mm となり、エネル
ギーに依存しない。

81

第 4 章 議論と考察
4.1

入射ガンマ線の位置、角度分解能の要因

今回の試作検出器で得られた 0 度入射ガンマ線の角度、入射位置の分解能を決定する要因を考察する。検出器に入射したガンマ線の電磁シャワーの情報は全てシンチレーションファイバの発光を介して読み取られる。従って、単体のファイバの発光について考える。今回の様に光ったファイバの中心座標を用いる限り、ファイバの半径に相当する分離能力は得られない。今回用いたファイバの直径は 1 mm であるため、中心から ±0.5 mm を通過した粒子は全てファイバの中心を通過したと扱う。また、中心座標の精度は作製した鉛板の溝の正確さに依存し 、溝の形状は直径 1.1 mm の半円であるため、最大で ±0.1 mm のシフトを発生させる。更に、IIT-CCD を介してファイバの情報を得ているため、検出器内部のファイバの X 、Y 軸方向のファイバ間隔が 1.2 mm 、1.35 mm で、ファイバの光が隣りのファイバに影響を与える効果も考えなければならない。これはファイバ 1 本の光が CCD 上で X 方向に 2.2 画素、Y 方向に 2.4 画素広がり、1 ファイバあたりの CCD 領域が平均 5 ×5 画素であることから、隣接ファイバに漏れる光の割合を基にしてモンテカルロシミュレー
ションから結果 X 方向 0.7 mm 、Y 方向 0.9 mm であることが算出されている [11]。
角度の誤差は 1 次関数の傾きから計算することができる。検出器の上下流でのシャワー中心の位置の揺らぎと検出器の長さから角度の揺らぎ σ¯θ を計算すると、

σ¯θ =(0.9[mm]2 + 2.4[mm]2 )= 2.04[度]72[mm](4.1)となる。ここで用いた 0.9 mm は上流での層における光ったファイバの平均値が 1 であり、ファイバ 1 本の高さ方向の揺らぎが 0.9 mm であることからこの値を用いた。2.4 mm は、図 4.1 からシャワーが最も広がっていると考えられる 60 層の平均発光ファイバ数が 6 本、積算の広がりが 6 mm
であることから
6[mm]
(4.2)
σ=√
6[本]
と計算した。また、72 mm はシャワーが最も広がっていると考えられる 60 層までの長さを用いた。
シャワー位置の揺らぎは、ファイバ位置の揺らぎと実際のシャワーの形状によると考えると、ファ
イバ位置の揺らぎ 0.9 mm を小さくすることが角度分解能の向上になると考えられる。
また、角度分解能のエネルギー依存性を関数

A
σ(E) = √ + σ0
E

(4.3)

第4章

82

議論と考察
h8
Entries
4847
Mean
43.68
RMS
19.32

7
6
5
4
3
2
1
00

10

20

30

40

50

60

70
layer

図 4.1: 各層における光ったファイバの平均本数でフィットすると、図 4.2 の様になり、A=1.23 、σ0 =0.68 で、角度分解能 (式 (4.3)) は

1.23
σ(E) = √ + 0.68[度]
E

(4.4)

となる。角度分解能のうち、σ0 (=0.68) はエネルギーに依存しない、検出器固有のもので、位置分
解能 0.9 mm に依存する。また、位置分解能を 0 mm と仮定すれば 、σ0 は 0 となり、角度分解能は

1.23
σ(E) = √ [度]
E

(4.5)

となる。式 (4.5) は、エネルギーに依存するもので、これを決定する要因はガンマ線の電子-陽電子
対生成仮定によって発生する電子、陽電子の多重散乱である。

4.2

J-PARC 実験における検出器の有効性

4.2.1

π 0 の質量の揺らぎ

角度分解能が式 (4.4) であることから 1 GeV のガンマ線に対して 1.9 度である。この検出器での2 個のガンマ線の開き角の測定は 2.7 度の揺らぎを持つと考えられる。開き角を用いて π 0 の再構成を行う際、2.7 度の揺らぎの影響を考えるため、式 (1.14) の全微分をとると

dmπ0 = ( E1 dE2 +√1E2 dE1 ) 1 − cos θ +E1 E2 (1 + cos θ)dθ
2

(4.6)

83

議論と考察

sigma[degree]

第4章

χ2 / ndf
p0
p1

2
1.9

3.564 / 81.232 ± 0.1712
0.6763 ± 0.1217

1.8
1.7
1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
1
1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8
3
E(GeV)

図 4.2: 角度分解能のエネルギー依存性となる。式 (4.6) の第 1 項から、エネルギーの揺らぎは開き角の大きいときには質量計算に影響すること、第 2 項から、角度の揺らぎは開き角の小さい場合に質量計算に影響することが分る。2 個のガンマ線のエネルギーが 1 GeV で、開き角が 10 度あれば 、式 (4.4) から角度の揺らぎは 1.9 度となり、開角の揺らぎは 2.7 度となる。第 1 項から、5 %/ E(GeV) のエネルギーの揺らぎは π 0 の質
量に 1.5 MeV の揺らぎを与え、第 2 項から、2.7 度の揺らぎは π 0 の質量に 33 MeV の揺らぎを与える。合わせた揺らぎは 33 MeV になる。

4.2.2

π 0 の崩壊位置の揺らぎ

再構成される π 0 の崩壊位置について考える。位置の情報は K 0 L ビーム軸からの距離でバックグ
ランド と識別するために用いられる。今回の検出器の角度分解能は式 (4.4) であり、1 GeV のガンマ線に対して 1.9 度である。これを基に再構成位置の範囲を計算すると図 4.3 の様になる。この計算ではガンマ線がそれぞれ ±5 度で入射したことを仮定している。図 4.3 から K 0 L ビームが直径 10cm であると仮定すればビームから 17 cm 離れた位置に再構成されればハローバックグランド として排除できることが分った。

第4章

84

議論と考察

図 4.3: π 0 の再構成位置の例

4.3

今後の改良

4.3.1

読み出し 方法の改良

今回の試作検出器の大きな問題点は特定の場所における光漏れ 、個々のファイバを完全に分離することができていないことである。これは IIT-1 に接続する際、可能な限り多くのファイバを読み出すためにファイバ間隔がとれなかったことである。更に、今回の検出器では上流部と下流部でバンド ルの組み換えを行ったが、この様なことが有効になるためにも各ファイバ領域を分離することが重要であると考えられる。
また、今回は 1 ファイバあたりの CCD 領域サイズを合わせることを行わず、輝度を持つ画素数の閾値を 1 個にして解析を行ったが、これは分離方法の問題であり、IIT-CCD の問題でもある。ファイバに割り当てる CCD 領域を均一のサイズにできれば光ったファイバの基準とした輝度を持つ画
素数の閾値をより適切に行えたと思われる。輝度を持つ画素数の閾値を高くすることでファイバのCCD 領域の持つ画素数によっては光り難いファイバと光り易いファイバが発生してしまい、全てのファイバを同等に扱うことが困難になってしまう。
J-PARC の実験ではイベントレートが高く、IIT-CCD を用いた読み出し速度では処理できないこと、今回以上の偶発的なガンマ線の混入が予想される。今回のビームテストでは 10 本を越えるファイ
バの発光を伴うガンマ線の混入は最大 5 %で発生し 、今回よりもイベントレートの高い J-PARC ではより高い割合で混入ガンマ線が角度測定に影響すると考えられる。今回のビームテストの IIT-CCD
ゲート幅は、100 μs で行った。そのため、シリコンフォトマルと呼ばれる半導体素子を用いてファイバを独立に読み出すことが検討されている。この半導体素子を使用すれば光漏れは発生せず、高

第4章

議論と考察

85

速の読み出しも可能になり、ガンマ線の混入率を下げることができ、より高度な検出器になると考
えられる。

4.3.2

製作方法の改良検出器の製作段階での問題点を考える。検出器製作段階で評価方法が確立できず、今回のビーム
テストで校正できなかった検出器の厚さがある。このことによる影響は輻射距離が約 30 %短い検出器になったことである。これは溝付き鉛板の製作精度になるが 、これを均一にすることで膨らみなどの問題を回避することが可能になると考えられる。そのため、溝付き鉛板に対する評価方法、或はより精度の高い製作方法を考案することも今後の改良点として残っている。
他に、検出器の製作で鉛を用いることが歪みを発生させることになったと考えられる。加工した
後、溝付き鉛板は非常に薄く変型し易いので取扱いに注意が必要になる。また、上記の様に均一さを評価することが難しい。

86

第 5 章 まとめ
本研究は、J-PARC における K 0 L 中間子の K 0 L → π 0 ν ν̄ 飛崩壊実験のために、ガンマ線のエネル
ギー、位置、角度を測定できる検出器を開発する目的で行われた。K 0 L → π 0 ν ν̄ 崩壊の分岐比の測定により、弱い相互作用を記述する小林益川行列の Wolfenstein パラメータ η を、理論的不定性を小さく抑え、決定するものである。K 0 L → π 0 ν ν̄ 崩壊は、クォークのレベルでは s → d と変化しており、これは 1 次過程で禁止されている同一電荷のクォーク間の変化過程であるために高次過程となる。この高次過程は、中間状態に t クォークを経由する過程のみが寄与するが、t クォークの質量が非常に大きいことから QCD の輻射補正が小さく抑えられ、分岐比に対する理論的不定性は 1-2%である。また、K 0 L → π 0 ν ν̄ 崩壊の前後で CP 固有値が −1→+1 と変化していることから K 0 L → π 0 ν ν̄
崩壊は、直接的な CP の破れを伴う過程である。K 0 L → π 0 ν ν̄ の検知は 2 個のガンマ線のみが発生したことを用いる。
K 0 L → π 0 ν ν̄ 崩壊は、観測されるものは 2 個のガンマ線のみであり、分岐比は非常に小さいので、他の崩壊過程をバックグランドとして排除する必要がある。そのため、2 個のガンマ線のみが発生したことを検知し 、ガンマ線のエネルギー、角度から π 0 を再構成し 、質量、崩壊位置を測定することができるガンマ線検出器が望ましい。この様なガンマ線検出器として、溝付き鉛板とシンチレーショ
ンファイバから構成され、個々のファイバを独立に読み出すことにより、ガンマ線のエネルギーのみではなく、電磁シャワーの形状からガンマ線の位置、角度を測定出来る検出器を考案し製作した。
ガンマ線検出器は、直径 1 mm のシンチレーションファイバと 0.5 mm の純鉛板をプレス加工した
溝付鉛板を積層し 、エポキシ樹脂の接着剤を用いて製作した。製作した試作検出器は寸法は (縦)100
×(横)100 ×(深さ)98 mm3 であり、構造はスパゲッティ型カロリメータと同様で、総数 5850 本のシ
ンチレーションファイバを IIT-CCD で独立に読み出すものである。この検出器は、総数 5850 本のシンチレーションファイバを介してガンマ線が発生させる電磁シャワーの深さ方向及びその垂直方
向の 2 次元情報を用いてガンマ線の角度を測定する検出器である。ガンマ線の変換点の分布から輻
射距離は 1.0 cm と測定された。
用いたシンチレーションファイバの減衰長は、90 Sr からのベータ線を用いて 0〜4.5 m までを 0.5m 間隔で測定された。波長の長い成分は 369.0 ± 30.0 cm 、短い成分は 46.6 ± 9.1 cm であった。検出器の中央部を電子が通過することに対応する 0.5 m でのベータ線による発光に対する平均光電子数は約 6.4 個であった。1 本のシンチレーションファイバに対する IIT-CCD の応答も確認され 、発光の広がりは標準偏差で X 方向 2.2 画素、Y 方向 2.4 画素であった。このことから、検出器での位置分解能は、0.9 mm と算定された。検出効率は、シンチレーションファイバの中心から ±3σ の領域内に輝度を持つ画素が存在することを条件として、90.5 %の結果が得られた。
試作検出器について高エネルギーガンマ線に対する性能評価を行うために、SPring-8 の LEPS ビー

第5章

まとめ

87

ムラインで、コリメータで 1 × 1 mm2 のガンマ線ビームを生成し 、ビームテストを行った。実験から得られたシャワーの 2 次元情報を基に、各層における光ったファイバの分布の中心からシャワー
トラッキングを行った。シャワートラッキングから得られた 1 次関数の傾きと y 切片からガンマ線の角度、入射位置を測定した。ビームテストのデータから、1.4 〜3.0 GeV のガンマ線に対する角度分布の広がりは 1.6 度、入射位置分布の広がり 1.2 mm が得られた。角度分解能のエネルギー依存√ + 0.68 度であり、位置分解能のエネルギー依存性なく、1.1 mm であった。
性は σ = 1.23
E得られた分解能を基に、π 0 に対する性能を評価した。2 GeV の π 0 が最小の開口角で崩壊した場合を考える。ガンマ線のエネルギーは 1 GeV で、その角度分解能は 1.9 度、開口角の精度は 2.7 度となり、エネルギー分解能を √ 5%とすると、π 0 の質量の揺らぎは約 33 MeV であると計算さE(GeV)
0れた。また、π がビーム軸上の、検出器まで 5 m の位置で崩壊し 、2 個のガンマ線が検出器に入射したとき、ビーム軸に垂直な方向に約 17 cm の揺らぎが発生すると見積もることが出来た。
今回データ解析から明確になった問題点として、個々のファイバの CCD 領域を完全に分離できなかったことである。完全に分離できれば隣接するファイバの CCD 領域に光りが入ることはなく、位置分解能は向上することが期待できる。また、大強度のビームを使用する J-PARC の実験では 、
高速応答を持つ、半導体光センサーであるシリコンフォトマルを用いて個々のファイバを読み出すことが現実的であると考えられる。今後の素子、読み出し回路の開発に期待される。
製作での問題は溝付き鉛板の加工、評価方法である。サンプルの確認を行って製作したが、輻射距離が設計よりも約 30 %短い検出器になった。これは、溝付き鉛板に歪みがあったためであると推定される。溝付き鉛板が均一な、設計通りの厚さであることを確認し 、製作に反映する必要がある。

88

謝辞
本研究は、指導教官・新川孝男教授のご指導のもとで行われました。新川教授からの数多くの叱咤激
励、適切な助言を頂き、この様な修士論文を完成させることができました。物理学から離れ、大学での知識を失いつつあった私の指導は非常に困難であったと思います。本当に有難う御座いました。
安岡宏教授には、分野外の研究にも関わらず本論文の執筆に関する丁寧かつ分り易いご 指導を頂きました。本当に感謝致します。
松村徹助手には、研究全般に渡る助力を頂きました。特に、ソフトウェアの作製において、不馴れな私を、甚大なる忍耐をもって指導して頂き、誠に感謝致します。
応用物理学科金工室の渡辺龍一郎さん 、高島敦史技官には、本研究の検出器製作において多大なる御尽力を頂きました。誠に感謝致します。
佐賀大学の緒方里咲さん 、下川哲司さん、大阪大学の加藤悠司さん 、澤田崇広さん、山形大学の田島靖久さん、KEK の渡邊丈晃さんには SPring-8 での実験で多大なる助力を頂きました。加速器実験の経験のない私を優しくご指導頂き、本当に感謝致します。
母校の先輩で、ド イツの CERN に居られる堀川壮介さんには多くの励ましを頂きました。研究の分野で過去に失敗した私を以前と変らぬ後輩として扱って頂き、本当に感謝致します。
研究科での日常を共に過ごして下さいました表毅 2 等陸尉、鈴木技官には公私共に大変お世話になりました。
最後に、本研究においてお世話になった全ての方々に、心から感謝致します。

89

関連図書
[1] A.J.Buras, M.Gorbahn, U.Haisch, and U.Nierste,
hep-ph/0603079;JHEP11, 002(2006)[2] A.Alavi-Harati et al, Phys. Rev. D61, 072006 (2000)[3] C.S.Christenson et al. ,Phys. Rev. Lett.13, 138(1964)[4] M.Kobayashi and T.Maskawa, Prog. Theor. Phys. 49,652(1973)[5] 渡邊 靖志 「素粒子物理入門」培風館 (2002)[6] Donald H.Perkins, “ Introduction to High Energy Physics Third Edition “, Addison-Wesley
Publishing Company (1986)[7] Richard Fernow, “ Introduction to Experimental Particle Physics “, Cambridge University
Press (1986)[8] W.R.Leo, “ Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments 2nd Edition “, SpringVerlag (1987)[9] A.Antonelli et al, Nucl. Instr. and Meth. A354(1995)352-363[10] 下川 哲司 修士論文「 PbWO4 結晶による超高レート用粒子検出器の開発研究」佐賀大学 (2007)[11] T.Matsumura et al,nity(Hawaii)2006.11.1

Joint Meeting of Pacific Region Particle Physics Commu-

90

口頭発表
• 東條 剛士、『スパゲッティ型カロリメータ試作機の製作』、
K 中間子希崩壊実験と測定器に関するワークショップ (2005.11.26)『鉛板シンチレーションファイバ積層型カロリメータの試作と性能評価』、• 東條 剛士、
日本物理学会 第 61 回年次大会 (2006.3.27)• 東條 剛士、『スパゲッティ型カロリメータを用いた高エネルギー γ 線の画像解析』、
応用物理学会 2006 年秋季講演会 (2006.8.31)