2013 Fiscal Year Research-status Report
最新光子検出器とチェレンコフ放射を利用した超高分解能粒子時間速度検出器の開発
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25600141
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
福田 光順 大阪大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (50218939)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | チェレンコフ光 / 高時間分解能 / 飛行時間検出器 / 粒子識別 |
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| Research Abstract |
初年度はまず，以下に示すように光子検出器として高速光電子増倍管を用いたチェレンコフ飛行時間検出器を製作し，高エネルギー重イオンビームによるテストを行った。
チェレンコフ光ラジエーターとしてオハラ製高屈折率ガラス（n = 1.89; 厚さ 1mm）と金属チャネル型の時間分解能がよい浜松ホトニクス製光電子増倍管を４本用いて，重イオン飛行時間測定用チェレンコフ検出器を製作した。製作においては，ラジエーターと光電子増倍管の接着部分に注意を払い，特別に三菱ガス化学製高屈折率プラスチック（n = 1.74）のモノマーを接着剤として用いた。
完成した検出器を，放射線医学総合研究所の重イオンシンクロトロンHIMACにおいて，核子当たり約 500 MeV の微弱 58Ni ビームを用いてテストしたところ，検出器全体の分解能としてσ = 8.5 ps を達成することに成功した。目標とした分解能は σ ≦ 10 ps であったので，既に目標をクリアしてしまっている。本研究で得られた上記の分解能は，重イオンビームに対する時間分解能としては，世界最高記録級と言える。この結果，ビームに対する速度分解能は，飛行距離わずか２ｍで δβ／β ～ 0.1 % と極めて良い値が得られることになる。これにより，重イオンビームに対する核種識別能力の飛躍的な向上が期待できる。
今後さらに条件を変えてテストを行い，よりいっそうの性能改善を目指す。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
チェレンコフ・ラジエーターの屈折率が 1.89 と大きいため，屈折率が異なる普通のガラスでできている光電子増倍管の光入射窓入り口でチェレンコフ光が全反射され，チェレンコフ光の光電子増倍管への入射効率が極めて低くなっていることが，予備的なテストで判明した。
この問題を解決するために，チェレンコフ光の伝達過程をGEANT4によるモンテカルロ・シミュレーションなどで解析した。その結果，屈折率がラジエーターと普通のガラスの中間にある接着剤を用いることが，入射効率の改善に寄与するであろうことがわかった。
普通の透明接着剤の中にはそのようなものはなかなか無いが，三菱ガス化学（株）の協力により，チェレンコフ・ラジエーター候補の１つとして考えていた高屈折率プラスチックのモノマーを接着剤として利用できる可能性が生まれてきた。そして，これを用いたところ，極めて良い性能が達成できた。
以上のような，問題点の克服・改善を行っていたため，研究計画はやや遅れている。しかし，当初の目標は達成できているので，今後はこの性能がどのような条件に依存するかを詳細に調べる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は得られた世界最高記録級の性能がどのような条件に依存するかを下記のような点で詳細に調べ，さらなる性能向上を目指す。
・ラジエーターの種類，・光子検出器の種類（光電子増倍管の他の機種，MPPCなど）
・詳細なビーム位置依存性，・ビームの原子番号依存性，
・ビームエネルギー依存性
以上のような性能向上のための基礎データを取得しつつ，実際の粒子識別検出器としても利用し，その性能を実戦で確認する。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
上記で述べたとおり，研究計画がやや遅れているため，光子検出器やラジエーターなどの調達が遅れている。また，それらを用いる検出器の製作・調整・テストに必要なその他物品の調達も遅れている。
いくつか別の光子検出器のテストをするために，光電子増倍管・MPPCなどの光子検出器を調達する。また，それらを用いた検出器製作を行う。
チェレンコフ・ラジエーターとして昨年度用いた高屈折率ガラス以外の物質を調達し，ラジエーターとしての性能をテストする。
実験・研究打ち合わせを行うための旅費と，得られた成果を発表するための国内・国外旅費に使用する。
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