KOTO実験に用いる新たな 円筒型ガンマ線検出器 Inner Barrelの開発

(株)日立製作所 日立事業所　豊田高士日本物理学会 2014年秋季大会 @佐賀大学 2014年9月20日(土)

1

目次＊KOTO実験 ＊新たな円筒型ガンマ線検出器「Inner Barrel」 ＊Inner Barrel開発 　①波長変換ファイバーの光量測定 　②要求性能を満たすための対策 　　ーポリマーライトガイド 　　ー波長変換ファイバーの最適な分配法 　③テストモジュールの製作と試験 ＊まとめ

2

�̄

- 非常に稀な崩壊(Br~2.4×10-11)

実験KL � ⇥0��̄・KOTO実験の目的： 崩壊の探索

- CP対称性を破る崩壊

標準理論の検証とNew Physicsの探索

：CKM行列の複素成分　�Br(KL � ⇤0⇥⇥̄) � �2-

3

- 崩壊分岐比の理論的不定性~2%

崩壊KL � ⇥0��̄＊

実験＊場所：J-PARC ハドロンホール

KLビームライン

Primary Proton Beam

Target

KL

detector4

検出器とシグナルイベントの同定方法

・KL→π0ννの終状態：π0由来の2γと2つのニュートリノ

�0KL

�

�

��̄

⇒「π0由来の2γ以外観測されない＝シグナルイベント」5

Main Barrel

主な背景事象と横方向検出器

・主な背景事象 ：KL→2π0(→4γ)の2γを見失う・Main Barrel(MB)の内側に新検出器「Inner Barrel」を追加

　　→検出効率をあげて、この背景事象を減らす(65%減)

Inner Barrel

�0KL

�0

γ

γ

γ

γ

×

×

6

ガンマ線検出器「Inner Barrel」 断面図

Main Barrel

Inner Barrel

~2m

●直径2m,長さ3m,厚さ16cm(5X0)の円筒形●鉛-シンチレータ積層型検出器

(鉛1mm厚+シンチレータ5mm厚)×25層

●全周を32個のモジュールで構成

~3m

~16cm

×32

●各モジュールごとに 波長変換ファイバー(WLSF)で読み出す

　　→各シンチレータの溝に埋め込み PMTまでシンチレーション光を導く

7

8

Inner Barrelのガンマ線検出原理

②シンチレーション光発生③波長変換④ファイバー内伝播→PMTへ

シンチ

鉛板

γ

①電子対生成e+ e-

＊電子対生成せず光核反応が起こる 　→エネルギー損失小さい→不感事象につながる！ γ

n p不感事象の原因の１つ

Inner Barrelに要求される性能＊光核反応が起こるとエネルギー損失小さい 　→エネルギー閾値を0.5MeVに設定する

PMTから5m離れた地点で 5.0p.e./MeV以上の光量が必要

Inner BarrelPMT PMT

5m

⇒両側PMTで十分な獲得光電子数(5p.e./MeV)が必要＊粒子の入射位置も測定するため、PMTは両読み

↓最大読み出し距離＝５mのとき→光の減衰のため光量は最小

9

{

←ビーム上流 ビーム下流→

波長変換ファイバーの 光量測定

研究内容①

10

要求性能を保証するための検査

＊Inner Barrelの光量は

・シンチレータの性能と ・波長変換ファイバーの性能

→波長変換ファイバーの性能にばらつきがある可能性→性能検査が必要

11

＊大量の波長変換ファイバー(~70km)を使用

で決まる{

Inner Barrelに用いる波長変換ファイバー＊St.Gobain社 BCF-92(φ1.5mm)

＊発光量•減衰長にばらつき 　がある可能性

12

吸収•発光スペクトル

・PMTの感度に適した発光波長 ・長い光減衰長(>3.5m) → 光減衰小さい ・短い発光時間→ 良い時間分解能 (BCF-92 : 2.7 ns, Y11：8.8 ns)

特徴

→WLSFの5m地点での 光量測定法が必要

波長変換ファイバーの光量測定法

PMT①

Clock Generator

PMT②

ADCLED 電源

波長変換ファイバー5m

クリアファイバー

LED

PMT②：LEDの発光出力を測定→LEDの出力変動を補正PMT①：波長変換ファイバー(5m)からの発光を測定

13

測定時のセットアップ

14

LED

LED照射器断面 PMT②へ接続

LED照射器

PMT①接続部

クリア ファイバー

WLSF

波長変換ファイバーの光量評価法と測定精度

PMT①

PMT②

15

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500 / ndf 2� 429.8 / 29

p0 0.001958± 1.185

p1 1.012± -17.96

/ ndf 2� 429.8 / 29

p0 0.001958± 1.185

p1 1.012± -17.96

Graph

PMT②の出力

PMT①の出力

＊LEDの出力を変えたときのPMT①とPMT②の出力相関

＊5m地点でのWLSFの相対光量PMT②の出力= PMT①の出力 で評価

＊同一のWLSF繰り返し測定→測定精度～1.3%

波長変換ファイバーの光量測定結果

＊各バッチごとにサンプリング測定(バッチ内のばらつき~5%)

●要求「5.0p.e./MeV@5m」を 満たさないWLSFも存在する

＊使用するWLSF = 13000本(大量！)→152の製造バッチからなる

対策が必要

h_allEntries 152

Mean 5.242

RMS 0.9092

2 3 4 5 6 7 8 9 100

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

h_allEntries 152

Mean 5.242

RMS 0.9092

読み出し距離5 mでの獲得光電子数[p.e./MeV]2 3 6 7 84 5 9波

長変換ファイバーの長さ

[m]

8000

12000

4000

16000

20000

＊１つのバッチをシンチレータに接着し、獲得光電子数を測定→相対光量を獲得光電子数に規格化

16

波長変換ファイバーの光量分布

要求性能を満たすための 対策

研究内容②

17

要求性能を満たすための対策

18

•対策①：光量の大きいWLSFのみを使用する

→要求性能5p.e./MeV@5mを満たさないWLSFも存在

問題点

•対策②：光量のばらつきを均一化し、全てのシンチが 要求を満たすようにWLSFを分配

＊WLSFの５m地点での光量にばらつき

{

h_all_wPLGEntries 112Mean 5.608RMS 0.6696

2 3 4 5 6 7 80

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000 h_all_wPLGEntries 112Mean 5.608RMS 0.6696

h_allEntries 152Mean 5.227RMS 0.901125%

cut

use

# of photo electron @5m73 5 8642

Inner BarrelPMT

5.5m対策①：光量の大きいWLSFのみを使う

PLG

4m

length of WLSF[m]

19

PMT

＊1.5 mのポリマーライトガイド(PLG)に継ぐ →WLSFの使用量25%減→光量の大きいWLSFのみを使う

ポリマーライトガイド

ポリマーライトガイド(PLG)の透過率

20

＊同じ読み出し距離でPMTの出力を比較

3m

PMT

2m5m

PMT

: 90Sr WLSFのみ WLSF+ポリマーライトガイド

hADC_0Entries 33746Mean 579RMS 209.4

/ ndf 2� 53.46 / 71Constant 3.3± 338.7 Mean 2.4± 532.1 Sigma 4.7± 188.5

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 18000

50

100

150

200

250

300

350hADC_0

Entries 33746Mean 579RMS 209.4

/ ndf 2� 53.46 / 71Constant 3.3± 338.7 Mean 2.4± 532.1 Sigma 4.7± 188.5

hADC_0Entries 33746Mean 579RMS 209.4

/ ndf 2� 4.756 / 2Constant 19.2± 363 Mean 0.1± 167.1 Sigma 0.098± 3.014

hADC_0Entries 33746Mean 579RMS 209.4

/ ndf 2� 4.756 / 2Constant 19.2± 363 Mean 0.1± 167.1 Sigma 0.098± 3.014

ADC分布測定結果 peak-pedestal

[ADC count]

WLSFのみ 365±2.4WLSF+PLG 361±2.6

＊透過率はWLSFの99±1%⇒ポリマーライトガイド問題ない

h_4.5_mean

Entries 30

Mean 5.553

RMS 0.1303

4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 80

50

100

150

200

250

300

350

400

h_4.5_mean

Entries 30

Mean 5.553

RMS 0.1303

h_all_wPLG

Entries 112

Mean 5.568

RMS 0.6521

h_all_wPLG

Entries 112

Mean 5.568

RMS 0.6521

シンチレータの枚数h_all_wPLGEntries 112Mean 5.608RMS 0.6696

2 3 4 5 6 7 80

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000 h_all_wPLGEntries 112Mean 5.608RMS 0.6696

h_allEntries 152Mean 5.227RMS 0.9011

use

# of photo electron @5m73 5 8642

対策②：光量のばらつきを均一化

混ぜる

55 6 7 84

21

光量：大 光量：小

＊光量大きい/小さいWLSFを交互に並べて光量を均一化

# of photo electron @5m

均一化前

均一化後

0 2 4 6 8 10 12 14 16 180

5

10

15

20

25

Graph

入射粒子光量が最小になる場合

⇒光量が最小になる場合を想定 　→シンチレーション光の広がりを測定 　→全出力に占める割合から算出

粒子の入射位置による光量の差

0 2 4 6 8 10 12 14 16

PMT

90Sr：2mmφコリメータ

＊一本ずつ個別に読み出し 　→出力比を比較

＊β線をfiber#9の真上に照射

fiber#

各W

LSFの出力比

[%]

18

fiber#9の 真上に線源

全出力にしめる各WLSFの出力の割合

22

＊入射位置付近のWLSFの光量が 　全体の出力に最も影響

5

10

15

20

25セットアップ

対策①&対策②をした場合の獲得光電子数

＊光量が最小となる場合でも すべてのシンチレータで 5.3p.e./MeV以上

h_4.5_minEntries 30

Mean 5.427

RMS 0.1023

4.6 4.8 5 5.2 5.4 5.6 5.8 6 6.20

100

200

300

400

500

600

700 h_4.5_minEntries 30

Mean 5.427

RMS 0.1023h_5.5_minEntries 38Mean 5.055

RMS 0.03205

h_5.5_minEntries 38Mean 5.055

RMS 0.03205

800

読み出し距離5 mでの獲得光電子数[p.e./MeV]

シンチレータの枚数

光量が最小になる場合の 各シンチレータの獲得光電子数

無

5 5.2 5.4 5.6 5.84.8 6

800

ポリマーライトガイド有

23

→バッチ内でのばらつき~5% 　を考慮しても要求みたす 　

テストモジュールの 製作&性能試験へ

テストモジュールの 製作と性能試験

研究内容③

24

テストモジュールの製作シンチとWLSFの接着

25

手順①：シンチの溝に接着剤を塗布手順②：ファイバーを張り…↑ファイバー分配は最適化手順③：紫外線で接着剤を硬化↑溝に入る泡を取り除きながら

完成！生産速度～１０枚／日

テストモジュールの製作

26

モジュール化＊シンチ→反射剤→鉛板の順に積層•圧縮＊ステンレスのバンドで縛り、一体化

27

テストモジュールの製作PMT接続面

WLSFとポリマーライトガイドの接続

ビーム上流側ビーム下流側

テストモジュールの性能試験目的①：光量の要求「5 p.e./MeV」を満たすか確認

＊最長読み出し距離5mでの獲得光電子数の測定

28

目的②：モジュールの基本性能の評価

●hit位置の測定法 →両読みPMTの時間差から粒子のhit位置を測定 →物理解析において有用な情報

＊モジュール中の光速＊時間分解能

＊モジュール中の光の減衰長hit位置の測定精度を評価

テストモジュールPMT① PMT②

性能試験のセットアップ＊モジュールを上下からはさむようにトリガーシンチを設置

トリガーシンチ：幅 5 cmμ

→両者のヒットを要求して、宇宙線ミューオンが貫通するイベントを選択

WLSF

29

＊PMT①,②の読み出し距離d1,d2を変えて各評価項目を測定

d1 d2

＊PMTの出力はすべて500MHzのFlash ADCで記録

30

獲得光電子数の測定

● 1 p.e.あたりのADC値 ● MIPのエネルギー損失

を用いて、 1MeVのエネルギー損失あたりの 獲得光電子数を算出

要求5.0 p.e./MeVを満たす！

＊d2 = 5 mとなる位置にトリガーカウンターを設置 →PMT②のADC出力分布からMIPピークのADC値を求める

MIPピーク

読み出し距離5mでのPMT②のADC分布

#eve

nt

[ADC count]5.6 ± 0.2 p.e./MeV0 2000 4000 800060000

100

200

300

400

モジュールの光の減衰長の評価＊読み出し距離d1,d2を変えてPMT①,②での獲得光電子数Np.e.[p.e./MeV]を測定

短い成分λ1：59 ± 25cm 長い成分λ2：389 ± 13cm

でフィット

2成分の減衰長λ1,λ2を仮定

⇒

100 150 200 250 300 350 400 450 500

6

8

10

12

14

16

/ ndf 2� 15 / 12p0 6.245± 10.47 p1 25.19± 59.91 p2 0.801± 19.98 p3 13.41± 389.9

/ ndf 2� 15 / 12p0 6.245± 10.47 p1 25.19± 59.91 p2 0.801± 19.98 p3 13.41± 389.9

読み出し距離 d1, d2 [cm]

獲得光電子数

[p.e

./MeV

]

● PMT① ● PMT②

読み出し距離と獲得光電子数の相関

WLSF単体の測定結果 とほぼ同じ

Np.e.(x) = a1 � exp(� x

�1) + a2 � exp(� x

�2)

100 200 300 400 50068

10121416

31

モジュール中の光速の測定

32

-5 0 5 10 15 20 25-100

0

100

200

300

400 / ndf 2� 3.168 / 6p0 0.02072± 17.37 p1 0.2794± 2.12

/ ndf 2� 3.168 / 6p0 0.02072± 17.37 p1 0.2794± 2.12

Graph

読み出し距離の差

d2-d

1 [cm

]

PMT①とPMT②の読み出し時刻の差 [ns]

＊PMT①と②の読み出し時刻の差 ＝ モジュール中の光速 × (d2 - d1)

⇒一次関数でフィットしたときの 　比例係数＝モジュール中の光速

⇒ 読み出し距離d1,d2を変えて PMT①と②の読み出し時間 　 の差を測定

0-5 5 10 15 20 25-100

100

200

300

400

0

17.37 ± 0.02 cm/ns↑光速の約半分

読み出し距離と読み出し時間差の相関

時間分解能の評価＊時間分解能σtは獲得光電子数に依存

150 200 250 300 350 400

250

300

350

400

450 / ndf 2� 11.23 / 15

p0 26.78± 4848

/ ndf 2� 11.23 / 15

p0 26.78± 4848

獲得光電子数[p.e.]

時間分解能

[ps]

● PMT① ● PMT②

150 200 250 300 350 400

250

300

350

400

450⇒ 読み出し距離d1,d2を変えて、 　獲得光電子数と時間分解能 　を測定⇒ 獲得光電子数N[p.e.]と 時間分解能σtの相関を

でフィットして評価

＊Main Barrelの時間分解能より1.7倍良い→WLSF選定時の結果を再現

�t(N) =a�N

33

光電子数と時間分解能の相関

hit位置の測定精度の評価

100 150 200 250 300 3500

5

10

15

20

((17.37/2)*4.848/(sqrt([0])))*sqrt(1/(10.47*exp(-x/59.91)+19.98*exp(-x/389.9))+1/(10.47*exp(-(605-x)/59.91)+19.98*exp(-(605-x)/389.9)))

Edep = 1 MeV

Edep = 10 MeV

Edep = 100 MeVσ p

os [c

m]

100 150 200 250 3000

5

10

15

20

xpos [cm]

＊hit位置xposの求め方: xpos = Cmod × (t1 - t2 + l)/2

Cmod：モジュール中の光速t1, t2：PMTの読み出し時刻

l：モジュール長さ

＊hit位置の測定精度σpos

�pos =Cmod

��2

t1 + �2t2

2

0 x[cm]xpos 605

t1 t2

�t1,2 =a�

Np.e.(x)Edep

34

まとめ

35

• KOTO実験では背景事象を減らすために、鉛-シンチレータ積層型の検出器「Inner Barrel」を新たに追加する。

• Inner Barrelは、0.5MeV thresholdをかけるため、発光点から5m離れた点で5p.e/MeV以上の光量が必要。

• WLSFの光量測定システムを製作し、WLSFの光量のばらつきを評価した。 • 光量を満たさないWLSFが存在するが、要求をみたすため 　* 光量の大きい/小さいWLSFを交互に並べ、光量を均一化する　* ポリマーライトガイドに継いで光量の大きいWLSFのみを使う対策をとる。

• テストモジュールを製作し、読み出し距離5mでの獲得光電子数を測定した。→要求を満たすことを確認した。

• モジュール中の光速、減衰長、時間分解能などの基本性能も評価した

謝辞

ー指導教官の山中卓さん、

ー村山理恵さん、外川学さん、Lim Geiyoubさん 　 他 KOTO Collaborationのみなさま

＊本研究は大阪大学大学院理学研究科の博士前期課程 　在籍時に行ったものであり、お世話になった

に感謝します。

36