33年実験BB GGEEMMを使った プロポーショナル・カウンター 比例計数管 -- ガスを使った放射線�検出器の基礎 -- 比例計数管の原理 光（又は荷電粒子）と物質の相互作用 ガス中での電子のドリフト ガス増幅 信号生成 製作 試験 現在の応用例 この実験の目的 荷電粒子が物質中を通過する際、電磁相互作用を通して物質中にエネルギー損失という 形でエネルギーを落とします。そのエネルギーは物質を励起したり、また物質を電離し 電子とイオンの対を生成することに使われます。 電離により生成された電子は、単独では読みだすことができない微少量ですが、ガス中 に高電場を生成することにより、電子を雪崩式に増幅することにより読み出し可能な電 荷量にすることができます。この原理を利用した最もシンプルな測定器が比例計数管で す。 この実験では、比例計数管を製作し、XX線�を照射して出てくる信号を調べる事により、比 例計数管の動作原理、諸特性や、XX線�と物質の相互作用について調べてもらう事を目的と しています。 この実験でのキーワード 光と物質の相互作用、荷電粒子のエネルギー損失、特性XX線�、オージェ効果、 ドリフト、ガス増幅、比例領域、エネルギー分解能、HHVV依存性、空間電荷効果 実験終了時に以上の言葉の意味がわかっているように。 光と物質の相互作用 光電効果 コンプトン散乱 電子陽電子対生成 QQ それぞれの相互作用について調べなさい QQ それぞれの相互作用は、どのような物質と 相互作用を起こしやすいのか？ 荷電粒子と物質の相互作用 ET eee 原子に束縛されている電子は入�射粒子の作る電場により力 積を受ける。その分、入�射粒子のエネルギーが失われる。 EL 粒子が通過する領域に存在するガス分子の量と及ぼす力積 を足し上げるとエネルギー損失が計算できる ee b zee エネルギー損失 v 古典的な領域での計算は、電磁気の知識で可能です。 ee 4πz 2 e4 dE bmax = − N ln e dx mv 2 bmin ee density effect Avogadro’s number Max. energy transfer $ ! " # 2 2 2 dE Z C v W z 2mγ max = 2πNa re2 mc2 ρ ln − 2β 2 − δ − 2 − 2 2 dx Aβ I Z density, atomic numb., atomic weight of mean excitation potential clasical electron shell correction absorbing material radius e2 velocity ~< velocity of bound 2 num. of atoms/cm3 mc = electrons re e> Na ρ/A num. e /cm3(Ne) e> ZNaρ/A - + + + + + + ee ee relativistic rise + + - + - density effect + + - + - XX線�とガス検出器 ガスを使った検出器は、XX線�の検出以外にも、荷電粒子の検出に良く用いられる。 荷電粒子の放射線�源では、検出器に入�射するまでのddEE//ddxxやどのように検出器に入�射するか などの条件により信号の大きさが変わるため、較正用にXX線�源が用いられることが多い。 特にFFee5555は、55..99kkeeVVと、MMIIPP((**))と同程度の信号を生成するため、頻繁に使用されることが 多い。 QQ.. FFee5555線�源によるXX線�放出の機構を調べる。 MM殻 FFee((鉄))の原子核は最内殻の電子を捕獲して陽子が中性子に代わりMMnn原子核になる。 空席になったkk殻へLL殻の電子が落ちるときに放出される光がKKα線�((55..9900 kkeeVV)) MM殻の電子が落ちた場合はより大きなエネルギーのKKβ線�((66..4499 kkeeVV))を放出。 ee LL殻 kk殻 ee ee FFee原子核 MMnn原子核 電子捕獲 QQ.. FFeeからのXX線�がAArr原子で光電効果を起こしたときどうなるか？ QQ.. オージェ電子とは何か？ KKβ線� KKα線� 比例計数管 まめ知識 XX線�による電子生成 55..99kkeevvのXX線�はアルゴンガス中で何個の電子イオン対を生成するか？ 光電効果＋AAuuggeerr効果の場合、XX線�のエネルギー全てが２個の電子に転嫁される。 アルゴン中に１つのイオン対を生成するために必要な有効平均エネルギー((WWii)) は 2266eeVV であるため、55..99kkeeVVに対しては、55990000//2266~~約223300 電子イオン対が生成されることにな る。 GGaass WWii ((eeVV)) 密度((gg//ccmm33)) これはもちろん、統計的な過程 NNee 4411 11..6666 1100^^((--44)) であるため、統計誤差があり、 AArr 2266 11..6666 1100--((--33)) 個々の測定で揺らぎを生じる。 XXee 2222 55..4499 1100^^((--33)) その他の物質でのWWiiは、右表の CCHH44 2288 66..7700 1100^^((--44)) とおり。 CC44HH1100 2233 22..4422 1100^^((--33)) AAuuggeerr効果がない時 特性XX線�となって、エネルギーが逃げていく。 この場合、電子がLL殻から落ちる場合のKKα線� とMM殻から遷移する場合のKKβ線�がある。特性 XX線�のエネルギーはエネルギー準位の差から出 す事ができる。ここでLL殻の電子が遷移した場 合、LL殻が空席になりエネルギーを持っている が、このエネルギーは内部転換などを通し て、電子の電離に使われる。従って、エス ケープピークの場合は、 55..99kkeeVV--22..99kkeeFF==33kkeeVVのエネルギー分の電子 が生成されていることになる。 エスケープしたXX線�が再度アルゴンガス中で吸 収される場合もある。 MM殻 ee LL殻 kk殻 ee ee エネルギー準位 00 eeVV ~~ 2266 eeVV 332266 eeVV KKβ線� KKα線� 33220066 eeVV 比例計数管内での物理現象 電子生成 XX線�が計数管内で光電効果により１部のエネルギーを電子のエネルギーに 変換される。 残りのエネルギーはオージェ効果でもう１個の電子に移されるか、 特性XX線�として放出される。 エネルギーを持った電子はガス中でエネルギー損失を起こし電離電子を生成 しながら、エネルギーを失う。 電子生成 ee eeee ee 電子のドリフト 生成された電離電子は電場により陽極（ワイヤー）方向�に移動していく（ド リフト） ドリフト時には、ミクロ的にはガス分子との衝突を繰り返しており拡散を起 こす。 マクロ的な平均の移動速度をドリフト速度と呼び、これは電子とガスの衝突 断面積に依存する ガス増幅 ワイヤー近くまでドリフトしてきた電子は、ワイヤー近傍での高電場により ガス分子と衝突する前にガス分子を電離するに十分なエネルギーを受け取 り、ガス増幅を引き起こす。 ワイヤー ++HHVV 電子のドリフト ee ee ee ee 信号生成 ワイヤー近傍で生成されたイオン対のうち電子は電極（ワイヤー）に到達し 信号を生成すると同時に陽イオンは陰極側へと移動を始めることにより信号 を生成する。 信号出力 ガス増幅 時間 --- --------------------------- 信号生成 ee ee eeee ee eeee ee ee ee eeee eeee ee ワイヤー ワイヤー 電子のドリフト 電子がガス中を進む場合、たくさんのガス分子との衝突を繰り返しながら移動する。個々の 電子を考えるとガスと衝突しながらいろいろな方向�に跳ね飛ばされている。電場がある場合 には、個々の電子はかなりランダムな方向�の運動を繰り返すが平均的に見ると電場の方向�に 運動していく。このマクロな移動をドリフトと呼ぶ。 電子の質量はガス分子に比べ大変軽いので、１回の衝突により平均速度は０になると考えら れる。平均衝突時間をτとすると、衝突するまでに電子が受ける力積FFτ（eeEEτ）== mmvvmmaaxx -- mm<<00>>となる。従って電子の平均ドリフト速度wwは ww==eeEEτ//((22mm))となる。 ただし、ガスと衝突する確率（断面積）はガスの組成と 電子のエネルギーに大きく依存し左図のような振る舞い をする。（RRaammssaauueerr断面積）ある一定のエネルギーを 超えると、断面積が急激に増加し、衝突確率が増すこと によりドリフト速度の飽和がおこる。 CH4 Drift Vel.(cm/usec) 右図は、いくつかのガス中での 電子のドリフト速度を電場の関 数としてあらわしたものであ る。実際の実験では、いくつか のガスを混合して、必要な性能 を確保できる性質を持たせるよ うにしている。 C2H6 E field(kV/cm) 電子の増幅 dn = nαdx n = n0 exp[ ! x2 α(x)dx] x1 α: e first Townsend coefficient e e e e e e e Geiger-Muller streamer 10^6 semiproportional proportional 10000 100 1 gain 比例計数管の製作 今回製作する比例計数管は、アルミの筒にフタをして筒の中心に芯線�（ワイヤー）を配置し た、非常に簡単なものである。アルミの筒はグランドに接地し芯線�に正の高電圧を印可する ことにより、筒内に電場を形成する。 芯線�とアルミを絶縁するために、フィードスルーと呼ばれるワイヤー保持用の部品を使用す る。 今年度はGEMを使います 次頁参照 フィードスルーはデルリンと呼ばれる耐高電圧に優れたプラスチッ クでできており、中心にアルミのピンが固定されている。 このピンにワイヤーを通し圧着することでワイヤーを保持する。 ワイヤーはたるまないように、張力をかけた状態で固定する。 2200μ径のワイヤーでは5500gg、3300μのワイヤーでは9900gg程度が 目安になる。ワイヤーはタングステンに金メッキが施されている。 圧着 出来上がったら、ガスのラインにパイプを接続してください。排気用のラ インも忘れずに繋いでください。 高圧ガスの元栓の開け閉めは、必ず教員又はTTAAのもとでおこなってください。 高圧ガスは、充填された状態では115500気圧（1155MMPPaa）もありますので、取り扱いを誤ると、大変危険です。 大本の１次のバルブと圧力調整用の２次のバルブがあります。２次のバルブは、ニードルバルブと呼ばれ押し込む （右に回す）につれ開放されていきます。 流量は流量計で制御してください。大気開放後にガスを入�れ替えるのに必要な容量は容器の３倍程度であることを 考えて流量を調整してください。 ガスが入�れ替わった後は、ガスを節約するために流量を落としてください。ただし、排気からガスが出ている事を バブラーで確認することを忘れないように。 GGEEMMって何だろう 最近のガス検出器にふれよう 今回の実験は本来ワイヤーを用いた比例計数管を使っておりました。構造は簡単で良い のですが、ワイヤー張りやノイズ調整などに難点を抱えておりましたので、より現代的 な検出器GGEEMMを使う事にしました。GGEEMMとはガス電子増幅器((GGaass EElleeccttrroonn MMuullttiipplliieerr)) の略で、電子をガス中で増幅する装置で、ワイヤーを使った場合とその中で起こる現象には 何ら違いがありません。 構造は、5500μmm程度（最近では1122μmm〜２ mmmm程度までの幅がある）の厚さを持つ絶縁 シート（多くの場合はポリイミド((PPoollyyiimmiiddee;; 製品名としてはKKaappttoonn,,AAppiiccaall,,FFeelliixxなど）の 両面に薄い導電性フォイル（厚さ５μmm程度） を張り合わせた素材に無数の孔をあけたもの をいう。 両電極に電位差を与えることで、孔の中に、 高電場を生成し、そこを電子が通過する際に ガス増幅をおこさせます。 HIGH FIELD IN HOLE INDUCES AVALANCHE MULTIPLICATION TYPICAL GEM: 50 µm Kapton 5 µm Copper 70 µm holes at 140 µm pitch QIN QOUT GAIN = QOUT / QIN 5-10,000 INDEPENDENT PROPORTIONAL COUNTERS per cm2 F. Sauli, Nucl. Instr. and Meth. A386(1997)531 GEM MANUFACTURING (CERN PROCESS) DOUBLE-CONICAL STANDARD GEM: 50 µm Polymer +5 µm Cu both sides Photoresist coating, masking, exposure to UV light Metal etching Polymer etching Second masking Edge metal etching and cleaning 70 µm 55 µm なんでガス増幅が必要なのか？ 私たちが、測定しようとしているものは、荷電粒子または、XX線�です。これらのものがガ ス中にその痕跡を残す場合、高々110000個程度の電子として残すに過ぎません。ご存知の ように、電子１個の電荷量は11..66xx1100--1199クーロンとわずかなものです。 我々が信号を検出する時、多くの場合は電気信号として測定しますが、110000個程度の電 子が作る信号の大きさは、どのぐらいになるでしょうか？ ピーク電圧として信号を捉える場合は、110000個の電子がどのような時間分布で来るかに よって変わりますが、簡単のために１００個の電子が１ナノ秒((11nnss))に平均的に来たとし ましょう。このときの電流としては1166ナノアンペア((nnAA))となり、１MMΩの負荷抵抗を 使っても1166mmVV程度の信号にしかなりません。このような単純な読み出しではノイズ等 の影響により、観測することは非常に難しいでしょう。 実際の読み出しには、電荷量に比例した電圧信号を出力する電荷増幅アンプというもの を使いますが、これもせいぜい1100〜110000ffQQ以上の信号が必要になります。従いまして 33桁程度電子の数が不足していることになります。 【ここに出てきた数値が正しいのかチェックしてみましょう】 ここで、登場するのがガス増幅です。ガス増幅により生成された110000個の電子を増やし てやれば読み出しの問題は解決できます。 GGEEMMはガス増幅をさせるために、11999900年代中頃にFF..SSaauulliiにより開発された装置です。 それ以前は、ワイヤーチェンバーと呼ばれるワイヤーを使ったガス検出器が一般的でし た。GGEEMMにしろワイヤーチェンバーにしろ、ガス検出器の中で、一体何が起こっている のかを理解することが実験をして行く上で重要になります。 なんでガス増幅するのか？ ガス中に生成された電子は、ガス分子と衝突しながらはじき飛ばされており、熱平衡 状態では、熱エネルギーに相当する運動エネルギーを盛っている（はず）。一体、ど のくらいの速度で動いているか計算しなさい。【QQ１】 ガス中に電場がかかっている場合は、ミクロ的には分子と衝突して四方八方にはじき 飛ばされているが、マクロ的には電場によって一定方向�に進んでいく。この時の電子 の<<平均>>移動速度をドリフト速度という。（ミクロ的な個々の電子の速度とは異な る）ドリフト速度は、当然電場に依存する。詳しいことは、来月からサウリの教科書 で勉強する。 電場が大きくなると、電場によって電子に与えられるエネルギーが大きくなる。エネ ルギーの充分大きな電子がガス分子と衝突すると、電離を起こす。 e 電離によって生成された電子も、電場により加速され さらに電離を引き起こす。このプロセスが進むと、電子 e e が雪崩式に増加する。これがガス増幅という現象になり e e ます。 e e Geiger-Muller e streamer 10^6 semiproportional proportional 10000 100 1 gain ガス増幅は、どこまでも大きくできる訳ではなく、検出 器の構造や放電により制限を受けます。また、ガス増幅 が大きくなるにつれガス増幅の機構もすこしづつ変わっ ていくことも知られています。 比例モード ー＞ セミ比例モード ー＞ ストリー マーモード ー＞ ガイガーモード 比例計数管からの信号読み出し プリアンプ 比例計数管の直接の信号は、通常は前置増幅器を通して信号を見ます。 ここで扱う前置増幅器は、電荷積分型と呼ばれるもので、入�力した電荷量に比例した 出力電圧を出します。もちろん、一般の前置増幅器と同様その他の機器への接続を容 易にするためのインピーダンス変換もしております。 RRff 電荷有感型前置増幅器 CCSS５０７型（クリアパルス社製） 理想的なオペアンプは入�力インピーダンスが無限大であり 入�力を０VVになるように働く。 RRffを忘れると、入�力電荷は全てCCffに貯まりVVoouuttにはQQiinn//CCff の電圧になる。（電荷増幅の原理） しかし、このままではコンデンサーに電荷が貯まったままなので 繰り返し信号を見るためには、抵抗RRffをつける事により電荷を 逃がす必要がある。これは、負帰還抵抗の役割も果たしている CCff 入�力 QQiinn 出力 VVoouutt テスト入�力 11ppFF 5500Ω プリアンプの較正 電荷有感型の増幅器の増幅率は、VV//QQ((ボルト／クーロン）で表される。 今回使う増幅器のゲインとリニアリティ（増幅率の直線�性）を調べてみる。 電荷有感型のアンプには電荷入�力をするための電荷ー電圧変換回路を持つテスト入�力が用意されている。 方形波入�力時にQQiinnはいくらになるか考えて、電荷に対する信号出力を測定しグラフにしてください。 比例計数管の作動 グランドとHHVV 比例計数管のアルミ筒の部分がグランドに接していることを確認する。 正のHHVVを印可する。SSHHVVコネクターにケーブルを接続する。 芯線�の信号をコンデンサーを通して、プリアンプに接続する。 この時、コンデンサーに貯まった電荷でプリアンプを壊さないように、一度グランドに 落としてから接続すること。 ノイズ対策 一般的に微小信号の読み出しは、ノイズとの戦いです。 多くの場合はグランドの取り回し方を工夫することにより低減させることができます。 しかし高周�波成分に関しては、外来ノイズが寄与しており電磁シールドを施すことで 低減することができます。 FFee線�源を比例計数管の小窓の位置におき、HHVVを上げながら信号出力の変化を調べてくださ い。11..55kkVV以上印可しても信号が確認できない場合は、おかしいので申し出てください。 実験課題 測定に入�る前に、オシロスコープでじっくりと出力信号の波形を調べておく。 HHVV依存性についても、プリアンプ出力の大きさで素早く目星をつけておくこと。 11.. FFee線�源によって得られるエネルギースペクトルの測定 HHVVを一定の値にしてFFeeのXX線�のエネルギースペクトルを測定する。 測定方法はγ線�実験の指針を参照する。 ピークは何に対応するのか？ピークの幅はなにによって決まるのか？ エスケープピークとは何か？ 22.. 増幅率のHHVV依存性／エネルギー分解能のHHVV依存性 HHVVを変化させることにより、ピークの位置はどのように変化するか？ また、その時ピークの幅はどのように変化するか？ またまた、エスケープピークと幅は？ 分解能が変化する理由は？ 33.. 宇宙線�の測定 XX線�に対する出力と宇宙線�（荷電粒子）に対する出力はどのように違いがあるのかを調べる。 デジタルオシロスコープで信号を採取して比較する。荷電粒子の信号の長さ（時間幅）は どのように決まっているのか？ 宇宙線�をどのように識別するか？（μ粒子の寿命測定参照） トリガー信号と芯線�からの信号が来るまでの時間測定
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