K中間子飛崩壊実験用 溝付プラスチックシンチレータの シミュレーションによる性能評価 防衛大 原幸弘、新川孝男、松村徹 背 景 飛崩壊で K+→π+ννの統計精度向上を狙う実験 主要B.G. K+→π+π0 バレルvetoカウンター 10GeV/c （分岐比21%） 2γ 1.47 +1.30 -0.89 ×10-10 断面 π+ π0 γは0~10GeV 分岐比は ~10m γ K+ 静止崩壊実験で 3evevt観測され、 ~2m γ 各シンチレータ板は、鉛板と 交互に積層する。 サンプリングカロリメータ PMT ~40cm 真空隔壁を介して波長変換 ファイバーで読み出し 要求条件 ①シンチレータを大量かつ安価に入手可能 ・射出成形シンチレータを使用 ・読み出しに波長変換（WLS)ファイバーを使用 ・ファイバーを埋める溝も射出で成形可能（機械加工不要） ②低エネルギー ( MeV程度 ) のγでも十分検出可能 ・前回発表した測定結果によれば、最も単純なファイバー 読み出しでも 30 pe/MeV 程度の光量が得られる 今回の目的 シミュレーションにより、集光の機構を明らかにする。 射出成形サンプルと 実験により得られた光量 溝付射出成形シンチレータ 10mm 1.5mm 5mm 1.2mm 15cm 発光波長 15cm 母材 蛍光剤および 波長変換剤 420nm アクリル 10% ポリスチレン 90% (MS樹脂） 母材1kgに対し、 ターフェニル 1.5% POPOP 0.05% 測定内容 PMT FIBER REFLECTOR SILICON GREASE H3178-51 (HAMAMATSU) PSFY-11 SJ (KURARAY) LUMIRROR E60L (TORAY) 7.5cm PMT 8cm OKEN6262A (OKEN) • 溝に沿って 15 本のファイバーを配置、片側読み出し • 計算と比較するためのデータ ①裸の場合 ②反射材で４面覆った場合 (a)15本全体での光量 (b)各1本ごとの光量 ファイバー読み出しの測定結果 15本をまとめて読み出した場合、 ①裸のシンチレータで 15.4 pe/MeV ②反射材付きで 28.2 pe/MeV 各ファイバーの光量は、下図のように分布 光量[pe/MeV] 反射材付きの 場合 裸の場合 この位置に線源 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 1 2 3 4 5 6 7 8 fiber No. 9 10 11 12 13 14 15 集光率計算シミュレーション 発生光子数→観測光電子数の過程 D :観測光電子数 S :発生光子数・・シンチレータの性能による ε1:ファイバーの集光率 ε2:ファイバーの変換効率 ε3:ファイバーの捕獲効率・・ 5 % ε4:ファイバー中での減衰・・ 95 % ε5:PMTの量子効率・・ 16% （波長 500 nm) D = S × ε1 × ε 2 × ε 3 × ε 4 × ε 5 これらに着目 集光率の計算モデル 裸のシンチレータ 透過 荷電粒子 ファイバー （屈折） 吸収 シンチレータ 吸収 光子発生 反射 反射材付きシンチレータ 全反射 反射材吸収 反射材 による 反射 全反射 光子発生 シミュレーション上の仮定 • 吸収過程 – シンチレータ内での熱吸収 – 反射材表面での熱吸収 • 傷等による反射損失 – 全反射条件を満たす場合でも、 ある確率で透過 （全反射効率） 表面の傷等 使用したパラメータ • 各物質の屈折率: シンチレータ 1.57 グリース 1.42 ファイバーコア 1.59 空気 1.00 • ファイバーコアでの光子吸収率: • 反射材の反射率: 97% • シンチレータ内の減衰長: 50 cm 95% 集光率計算の実行 ①溝なし直方体モデル ・8 mm×5 mm×150 mmの角柱 ・光子が柱の先端に到達する確率を計算 ・実測値との比較により、発生光子数を推定 ②溝付き板でのファイバー読み出しモデル ・150 mm×150 mm×5 mm（溝付き）の板 ・光子がファイバーに吸収される確率を計算 ・実測値との比較により、ファイバー集光率を推定 溝なし直方体モデルと実測の比較 光電子数[pe/MeV] 250 測定値 200 100% 150 97% 100 全反射効率97%を選択 90% 50 0 0 20 40 60 80 100 120 140 距離[mm] このとき発生光子は 6000±500 photon/MeV 程度 H3178-15 セットアップ 5mmφコリメータ（真鍮） PMT 接続面はグリース OKEN6262A 射出成形シンチレータ Sr90β線 8mm×5mm×150mm ファイバー読み出しモデルと実測の比較 15本読み出しの集光率は、裸のシンチレータで 34% 反射材付きで 60% これらの比 60/34 = 1.8 は、観測光量比 28.2/15.4 = 1.8 と一致 各ファイバーごとの集光率分布と測定による光量の分布もほぼ一致 光量[pe/MeV] 10.0 8.0 反射材付きの場合 6.0 裸の場合 4.0 2.0 0.0 1 2 3 4 5 6 7 8 fiber No. 9 10 11 12 13 14 15 ファイバー読み出しの機構 S : 発生光子数・・ 6000±500 photon/MeV ε1:ファイバーの集光率・・ 34% (60%) ※括弧内は反射材付き D = S × ε1 × ε 2 × ε 3 × ε 4 × ε 5 右辺に得られた値を代入すると、 6000±500×0.34(0.60)×0.05×0.95×0.16 =14.2~16.8 (25.1~29.6) pe/MeV これは実測値 15.4 (28.2) pe/MeV と一致 また、この結果からするとファイバーの変換効率は 90% 以上 まとめ まとめ • 射出成形シンチレータの発光量は、6000 photon/MeV 程度 • ファイバー集光率は、34(60)% で測定をほぼ再現 • 反射率は集光率への影響が大きい • ファイバーの変換効率は、今回の結果からして90%以上 今後の予定 ・大型の板について集光率をこのモデルで計算 ・ファイバーの変換効率を直接に測定 射出成形シンチレータ（一般的性質） 成形方法 射出成形 キャスト成形 （標準的なメーカー製） 成形方法の概要 性 質 ・ポリマーのペレットを加熱流動化（200℃程度） ・光量、透明度やや低い ・型に流し込んで成形 ・型の設計に応じた自由な形状 ・型内でモノマーを重合して成形 ・工程は比較的低温（重合熱程度） ・仕上がりは平坦な形状 ・光量、透明度に優れる ・機械加工が必要 射出成形法の模式図 ポリマーペレット 金型
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