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２００９年３月３０日日本物理学会 第６４回年次大会 30aSG-6

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開発背景

中性子検出器の概要

中性子検出器の性能評価

• Fuji test beamline (KEK)でのビームテスト

• FLUKAシミュレーション

• 低エネルギー中性子に対する反応評価

今後の開発

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• J-PARC

– ω– ω

p- + A + n + X

+

p0 +

中性子検出器

ガンマ線検出器

3

•

Targetπ-

ガンマ線検出器

～７ｍ

•時間分解能８０ps以下

•検出効率(Efficiency)３０%

中性子検出器

Time of Flight(TOF)により中性子を検出

ビーム

両読みScintillation Counter６本×４層

３０cm

３０cm

２０cm

０度方向の中性子を、小立体角で検出

Stopped ωを測定

荷電粒子

中性子

4

2GeV

H7195H1949-

51

H2431-

50H6410

上昇時間 [ns] 2.7 1.3 0.7 2.7

走行時間 [ns] 40 28 16 40

走行時間拡がり[ns]

1.1 0.55 0.37 1.1

•

オプティカルグリース

PMT(光電子増倍管)浜松ホトニクスH2431-50

高い時間分解能が出せる

5

• ５種類をテスト５×５×３０

cm

種類によって光量や減衰長が異なる

適当なものを選ぶ必要がある

Plastic Scintillator

(SAINT-GOBAIN CRYSTALS)

BC404 , BC408 , BC 412 , BC416 , BC420BC404 BC408 BC412 BC416 BC420

Light Output, %Anthracene 68 64 60 38 64

Rise Time [ns] 0.7 0.9 1.0 - 0.5

Decay Time [ns] 1.8 2.1 3.3 4.0 1.5

Pulse Width, FWHM [ns] 2.2 ~2.5 4.2 5.3 1.3

Wavelength of Max, Emission

[nm]408 425 434 434 391

Light Attenuation Length [cm] 140 210 210 210 140

Bulk Light Attenuation Length

[cm]160 380 400 400 110

Effective Light Output 61.9 61.5 57.8 36.6 55.8

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ビーム

時間差を距離０で測定。ビームのMomentumの揺らぎの影響を抑える。

テストするScintillator２本両読みTrigScinti(PMT-H2431)

３回のテスト（１）BC408&BC416&Trig（２）BC404&BC412&Trig（３）BC420&BC408&Trig

（１）BC408 BC416

Trig

１回のテストで３つのTOFのヒストグラム。

BC408-BC416

BC408-Trig

BC416-Trig

この分布からσを求める。

Slewing Correction後

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テスト（１）

組み合わせ σ[ps]

BC408&BC416 76.63

BC408&Trig 63.58

BC416&Trig 88.83

テスト（２）

組み合わせ σ[ps]

BC404&BC412 63.83

BC404&Trig 62.55

BC412&Trig 83.58

テスト（３）

組み合わせ σ[ps]

BC420&BC408 56.03

BC420&Trig 63.44

BC408&Trig 69.57

80psをきる分解能

一つのScintillatorでも50psをきる分解能(10~20psの系統誤差)

例：テスト（１）σBC408&BC416

2 = σBC4082 + σBC416

2

σBC408&Trig2 = σBC408

2 + σTrig2

σBC416&Trig2 = σBC416

2 + σTrig2

σBC408 , σBC416 , σTrigがそれぞれ求まる。

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• MonteCarlo Simulation package FLUKA(Ver.2008.3)

鉛や鉄の厚さを変えて、

出てくる粒子のエネルギー分布をシミュレーション

シンチ単体では４層重ねても、8%くらいの検出効率しかない。

鉛鉄

２GeV中性子

Scintiに含まれるＨの数5.2×1022[個/cc]

pn(total)の断面積 40[mb]

２

9

•

今後、厚さと時間分解能の最適化を図る。

１ｃｍの厚さの時の１中性子あたりの反応

ビーム

検出効率約28.8%

鉛 鉄

陽子 5.0% 5.2%

π中間子 0.93% 1.2%

光子 2.0% 2.1%

ビーム

•Scintillator４層8%•鉄４層20.8%

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Proton

Sta

rt

Sto

p

ScintiCf-252

パラフィン

Sta

rt

Sto

p

反応した中性子のrateからScintillatorの検出効率を比較

中性子ＯＮ 中性子ＯＦＦ

Start Stop rate[Hz]

BC408 BC420 0.325

BC408 BC404 0.760

BC404 BC408 0.561

BC404 BC420 0.481

BC420 BC404 0.496

BC408 BC420 0.447

BC420 BC408 0.372

BC408 BC416 0.276

BC416 BC408 0.361

低エネルギーではあるが、中性子に対して感度がある。

種類によって３倍ほどの差が表れ

た。

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• ( )( )– Geant–

•– PMT × × ( )

– Scintillator (BC404) –

中性子検出器製作！

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• ビームテストで時間分解能が測定できた。→組み合わせ80ps以下(単体50ps以下)

• FLUKAシミュレーションで検出効率を評価した。→28%程度

• Scintillatorの種類によって低エネルギー中性子に対する反応の違いがあることが確認できた。

• 鉄(鉛)を挿入して中性子に対する時間分解能・検出効率を評価する。

• 実機製作。

中性子検出器目標性能：時間分解能80ps以下検出効率(Efficiency) 30%

以上

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BC404 BC408 BC412 BC416 BC420

Light Output, %Anthracene 68 64 60 38 64

Rise Time [ns] 0.7 0.9 1.0 - 0.5

Decay Time [ns] 1.8 2.1 3.3 4.0 1.5

Pulse Width, FWHM [ns] 2.2 ~2.5 4.2 5.3 1.3

Wavelength of Max, Emission

[nm]408 425 434 434 391

Light Attenuation Length

[cm]140 210 210 210 140

Bulk Light Attenuation

Length [cm]160 380 400 400 110

No. H Atoms [×1022/cc] 5.21 5.23 5.23 5.25 5.21No. C Atoms [×1022/cc] 4.74 4.74 4.74 4.73 4.74

Ratio H:C Atoms 1.100 1.104 1.104 1.110 1.100

No. of Electrons [×1023/cc] 3.37 3.37 3.37 3.37 3.37Effective Light Output 61.9 61.5 57.8 36.6 55.8

SAINT-GOBAIN CRYSTALS カタログより

BC404 BC408 BC412 BC416 BC420

Light Output, %Anthracene 68 64 60 38 64

Rise Time [ns] 0.7 0.9 1.0 - 0.5

Decay Time [ns] 1.8 2.1 3.3 4.0 1.5

Bulk Light Attenuation

Length [cm]160 380 400 400 110

Effective Light Output 61.9 61.5 57.8 36.6 55.8

SAINT-GOBAIN CRYSTALS カタログより

BC404 > BC408 > BC420 (> BC412) > BC416

BC404 > BC408 > BC420 > BC416

低エネルギー中性子に対する反応評価より

CsI EMCalorimeterT-violation’s one is assumed “at this moment”.

ΔＥ/E = 1.62%/√E + 0.8%

ΔＥ/E = 3 %/√E (conservative)

（D.V. Dementyev et al., Nucl. Instrum. Meth. A440(2000), 151）

21 MeV/c2

29 MeV/c2

Acceptance for is evaluated as 58%.