高エネルギー荷電粒子測定のためのCsI(Tl), GAGG(Ce)カロリメータの性能評価
京大理, 理研仁科セA, 東大CNSB, 九大理C, 東北大NICHeD, 量研機構 HIMACE,東京都市大理F, 立教大理G, 東邦大理H, 阪大RCNPI
落合 秀太, 児玉 悠峰, 鈴木 翔太, 鳥居 尚也, 長房 俊之介, 矢野 隆之,
吉冨 成哉, 銭廣 十三, 藤川 祐輝, 土方 佑斗, 辻 崚太郎, 八尋 寛太,田中 純貴A, 上坂 友洋A, 大田 晋輔BI, 川瀬 頌一郎C, 黒澤 俊介D, 高田 栄一E,
高橋 弘幸F, 武重 祥子AG, 馬場 秀忠A, 原田 知也AH, 樋口 浩志AH

ONOKOROプロジェクト● 理論予言：核物質は均質でなく自発的にクラスター(d , t , α 粒子など)を形成[J.Phys. Conf.Ser.420, 012078(2013)]● 先行実験：安定Snでαクラスター発現の確認 [Science371,260(2021)]● 本研究課題：不安定核を含む様々な核で様々なクラスター発現をノックアウ
ト反応で確認目的 : 動的・不均一な描像

手段 : クラスターノックアウト反応

ノックアウト反応を見るための検出器が必要

2

TOGAXSIアレイ : 不安定核でのノックアウト反応測定
TOtal energy measurement by GAgg and verteX measurement by Si strips
Top View

Siストリップ検出器

GAGG(Ce)シンチレーター

TOGAXSI完成予想図
約60cm

新しいGAGG(Ce)カロリメータの開発が必要

3

カロリメータの要求性能
反跳陽子, ノックアウトクラスター(d , t , 3He, α)のエネルギー測定用カロリメータ要求性能①エネルギー領域

100 ~ 250A MeV②エネルギー分解能 1A MeV (RMS)③レート耐性50 kcpsGAGG(Ce)を選定
4

GAGG(Ce), CsI(Tl) 諸元GAGG(Ce)※CsI(Tl)

NaI(Tl)密度(g/cm3)

高密度!! 6.63

4.53

3.67

発光量(photon/MeV)

45000~55000

56000

45000

6~7

5.7

5.6901050

230

noyesyes※※FWHM分解能(%)
減衰時間(ns)

潮解性

速い!!

GAGG(Ce)結晶(35x35x120 mm)※※ 137Cs 662keVに対する分解能

速い減衰時間 & 高密度大結晶での性能 & 高エネルギー荷電粒子に対する性能性能評価が必要※出典: https://c-and-a.jp/products_details/products_detail_jp_GAGG.html

CsI(Tl)結晶(50x50x100 mm)

5

● GAGG(Ce)結晶○35mm × 35mm × 120mm● 両側読み出し● Photodiode readout○511 keVRes. = 23%(FWHM)

HAMAMATSU S3584-08● ClearPulse製 5570 PreAmp○CountGAGG(Ce)カロリメータ

高エネルギー荷電粒子測定用にゲイン変更済

1275 keVRes. = 11%(FWHM)ADC Channel
22Na γ線源のスペクトル6

● CsI(Tl)○50mm × 50mm × 100mm● 片側読み出し● Photodiode readout○511 keVRes. = 15%(FWHM)

HAMAMATSU S3584-08● ClearPulse製 5570 PreAmp○CountCsI(Tl)カロリメータ

高エネルギー荷電粒子測定用にゲイン変更済

1275 keVRes. = 6.3%(FWHM)ADC Channel
22Na γ線源のスペクトル7性能評価実験@HIMAC SB2コース
Focused Beam

● Proton○ 100 MeV
○ 75 MeV● α○ 100A MeV
Defocused Beam
● α
○ 100A MeV○ 75A MeV

局所的な分解能の測定①CsI(Tl)

vs

GAGG(Ce)② GAGG(Ce)の高エネルギー荷電粒子に対する応答要求分解能(FWHM)
p 100 MeV

2.4%

p 75 MeV

3.2%

α 100A MeV

2.4%

光量の位置依存性の確認と補正
結晶サイズが大きい

1. 自己吸収2. 結晶の不均一性 etc.
光量の位置依存性8

性能評価実験@HIMAC SB2コース

Setup
GAGG
CsI2CsI1Beam

Our Detectors

9性能評価実験@HIMAC SB2コース

Circuit
ADC (CAEN V785)

粒子飛跡測定

S-Amp

S-Amp

S-Amp

Trigger

カロリメータ10

Focusビームを使った分解能の測定
αproton
検出器
100 MeVCount

各検出器のFWHM分解能(%)

75 MeV

100A MeV

要求性能

2.43.22.4

CsI

0.82.60.6

GAGG L

1.73.41.0

GAGG R

2.64.02.4

GAGG
LR Mean

ADC Channel
1.23.2おおむね要求性能を満たしている.

1.0

GAGG(Ce)はFocusでも位置依存性の影響が現れている.
11

Defocusビームを使った位置依存性の確認

y (mm)● 結晶全体にDefocus α 100A MeVビームを照射● Si Strip Detectorを使って粒子の入射位置を測定

x (mm) 12

Defocusビーム(α 100A MeV)を使った位置依存性の確認

CsI(Tl)α 100A MeV Focus

CountResolution ~ 0.63%

Tlドープ量を調整
位置依存性が小さい
片読みでも問題なし
ADC Channel

ADC Channel

α 100A MeV Defocus

CountResolution ~ 0.64%

フレームに当たったイベント

x(mm)ADC Channel 13

Defocusビーム(α 100A MeV)を使った位置依存性の確認

GAGG(Ce)

Normalized Light Yield

Normalized Light Yield

局所的な分解能は良いが, 光量の位置依存性が大きい.

x (mm)

中央より右側 x < 10 で光量が減少

y (mm)

x 方向に比べれば小さいが,y 方向の依存性もみられる14

Defocusビーム(α 100A MeV)を使った位置依存性の確認

GAGG(Ce)Count

光量の位置依存性が大きい
α 100A MeV Defocus

粒子の入射位置によってエネルギーの読みが変わる

入射位置による光量の補正が必要

Expanded byPosition
Dependence

ADC Channel15

光量の位置依存性を x, y についての4次関数 f (x, y)
でFit.
1. 1mm間隔でx方向にスライスしてx=x0での光量のy依存を4次関数でFit

2. 1.で得た係数ak(x)を4次関数でFity (mm)a0(x)GAGG(Ce) 位置依存性の補正

Normalized Light Yield

Defocusビーム(α 100A MeV)を使った位置依存性の確認

x (mm) 16

Defocusビーム(α 100A MeV)を使った位置依存性の確認

Position Dependence of Light Yieldy (mm)f (x, y) を使って光量 L の位置依存性を補正

位置依存性を補正した光量 L′

x (mm)

Normalized Light Yield

GAGG(Ce) 位置依存性の補正

17Defocusビーム(α 100A MeV)を使った位置依存性の確認

GAGG(Ce) 位置依存性の補正

CountCount

位置依存性の補正によってスペクトル, 分解能が劇的に改善!

Correct

ADC Channel
FWHM Resolution = 1.1%
(網掛部分のみ)ADC Channel
FWHM Resolution = 0.79%
18

まとめONOKOROプロジェクトで用いるTOGAXSIアレイの開発にむけてCsI(Tl),GAGG(Ce)カロリメータの性能評価実験をHIMACにて行った.

CLEAR!!

検出器
100 MeV

75 MeV

100A MeV

要求性能2.4

3.2

2.4CsI✔︎ 0.8✔︎ 2.6✔︎ 0.6GAGG
LR Mean✔︎ 1.2✔︎ 3.2✔︎ 1.0

FWHM分解能(%)

補正可能

位置依存性が大きい
補正により分解能が改善

αproton

位置依存性

Count

分解能

FWHM Resolution = 0.79%

ADC Channel
19今後の課題
z dependence☑️ 局所的な分解能の測定☑️ x, y 位置依存性の確認と補正

Rate tolerance① 高レートでの分解能の評価② 粒子種による応答の違い③ z 依存性の評価

Different response?

「そして、次の実験が始まるのです！」つづく 20