素粒子・核物理実験用ライトガイドの最適形状とスケーリング則の確立

• Project/Area Number: 23914005
• Research Category: Grant-in-Aid for Encouragement of Scientists
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: 物理学
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 千賀 信幸 国立大学法人東北大学, 大学院・理学研究科, 技術職員
• Project Period (FY): 2011
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2011)
• Budget Amount: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2011: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000)
• Keywords: ライトガイド / 最適形状 / スケーリング則

Research Abstract

研究目的
素粒子・核物理実験では、プラスチックシンチレータと光電子増倍管(PMT)、ライトガイドが多用されている。素粒子・核物理実験においては、プラスチックシンチレータの形状や大きさは問題となるが、ライトガイドについての議論は行われない。また、プラスチックシンチレータを使用した実験の報告は多数あるが、ライトガイドについての報告はほとんどない。本研究では、ライトガイドの最適形状の確立を目指した。
研究方法
本研究を遂行するに当たり、新規にライトガイドの設計を行った。ライトガイドはフィッシュテール型を採用し、角度10度から50度まで5度刻みで設計し、製作を行った。使用したシンチレータは20×150×400mmで、オプティカルグリースで接合させた。ライトガイドとシンチレータには反射材として市販のアルミフォイル(光沢面を内側)に巻きつけた。測定は暗箱の中で行った。使用した線源は^<60>Coとした。PMT(H7195)は2本使用(同時計数)し、PMTのゲインとゲート幅(120ns:遅い成分も全て取るため)の調整を行った後にQDCスペクトルを取った。
研究成果
ライトガイドの性能評価は、測定したデータを基に^<60>Coのコンプトンエッジにおける光電子数の比較を行った。光電子数は、QCDのチャンネルとペデスタル、シングルフォトンピークから求めた。この際に使用したフィット関数はガウス関数を用いた。比較の結果、光量が最大になる角度は30度であることが判明した。これは、低角側の方が光量が多いという予想と異なる結果となった。この理由は、低角側では屈折による減衰は少ないが長い光路長によりライトガイド内での減衰が支配的となり、広角側ではその逆が起きていると考えられる。なお、各ライトガイドの光量の差は数%しかなかった。これらの結果から、2インチ管のPMTを用いたライトガイドを設計する場合は、角度を30度とし、シンチレータの幅とライトガイドの商さ(シンチレータ面とPMT光電面)の比を4:3とすると良い。この比に対して、シンチレータの厚さは関係ないと考えられる。