| 研究課題/領域番号 |
16H02192
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| 研究機関 | 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構 |
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研究代表者 |
西口 創 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 准教授 (10534810)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 素粒子実験 / 放射線検出器 / ガス検出器 / ミューオン |
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| 研究実績の概要 |
素粒子標準理論を超える新物理に優れた感度があると期待されるミューオン=電子転換過程探索実験の感度を向上させるため、
飛跡検出器の高感度化を目指す。特に、同過程の信号事象は105MeVという低エネルギー電子であるため、飛跡検出器の構成素材の低物質量化が鍵を握る。そこで本研究では、先に準備研究で実現した真空中で動作可能な20ミクロン厚9.5mm径ストローによる比例計数管を多数実装して大型化し、「真空中で動作可能な飛跡検出機」へと発展昇華させ、ミューオン=電子転換過程探索実験の感度を劇的に向上させることを目指す。また、準備研究では実現に及ばなかった12ミクロン厚・5mm径という薄膜・小口径ストロー比例計数管を実現し、究極の軽量化飛跡検出器の実現を目指す。これにより、J-PARCで実施予定のミューオン=電子転換過程探索実験の感度を最終的に10,000倍向上させることを目指す。そのため、20ミクロン厚・9.5mm径の導電性薄膜ストローを用いた飛跡検出器を建設する。
2017年度までに、「新型導電性薄膜ストローの量産」「ストロー実装のための力学的安定性実現の研究」「検出器を真空中で動作させるための電子回路冷却機構の開発」及び「実機構造体の設計」までを済ませた。
2018年度は当初計画の通り、実機の建設を開始した。まず、2017年度に設計を完成させた検出器圧力容器のうち、内筒・側面(ビーム上流側)・側面(ビーム下流側)の３構造体の製作を実施、これを完成させた。また、電子回路冷却に用いる高圧・低温ガス循環システムのうち、冷凍機・冷媒循環系・ガス圧縮系の製作を開始、基本部品による基幹部を完成させた。以上により、事業最終年度（2019年度）に、検出器圧力容器構造体へ導電製薄膜ストローをアセンブルし、これを飛跡検出器として完成させるための準備が概ね完成した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
2017年度までに、「新型導電性薄膜ストローの量産」「ストロー実装のための力学的安定性実現の研究」「検出器を真空中で動作させるための電子回路冷却機構の開発」及び「実機構造体の設計」までを済ませ、2018年度は当初計画の通り、実機の建設を開始した。まず、2017年度に設計を完成させた検出器圧力容器のうち、内筒・側面(ビーム上流側)・側面(ビーム下流側)の３構造体の製作を実施、これを完成させた。また、電子回路冷却に用いる高圧・低温ガス循環システムのうち、冷凍機・冷媒循環系・ガス圧縮系の製作を開始、基本部品による基幹部を完成させた。
3つの構造体は、本研究での実現を目指している軽量化飛跡検出器を「真空中で動作させるための耐圧」「20ミクロン厚薄膜ストローの張力を真空中で保持するための力学的機構」「真空中で電子回路の放熱を促進させるための機構」を兼ね備えた検出器圧力容器を構成する４要素のうちの３つを占め、本研究での製作物の枢要になる。残りの１要素は、圧力容器外筒であるが、これは実機のアセンブルを行いながらの調整が必要となるため、事業最終年度である2019年度に製作する予定である。
また、圧力容器内で電子回路の冷却を担う冷却システムは、検出器の安定動作のために極めて重要な役割を担うが、そのシステムの原理実証は2017年度に済ますことが出来た。2018年度には、冷却システムの基幹部分、冷凍機・冷媒循環系・ガス圧縮系を完成させた。同冷却システムは、高エネルギー加速器研究機構素粒子原子核研究所低温グループの協力のもと、成功裏に試運転を終えた。2018年度には、完成する実機と組み合わせた上で、最終冷却試験に臨むことになる。
以上により、本研究は当初計画通り、順調に進展している。
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究事業最終年度の2019年度は、いよいよ新型導電性薄膜ストローによる飛跡検出器実機を完成させ、これを真空中で運用し、検出器性能を評価して事業を締めくくる。
そのための準備として、2018年度までに新型導電性薄膜ストローの量産、検出器圧力容器の設計、検出器信号読出電子回路の真空中での冷却機構の開発、を推進し、これら全てを成功裏に完成させた。2019年度は以下の通り、つの研究開発を実施する。即ち、「検出器圧力容器への新型導電性薄膜ストロー及びワイヤの実装」「圧力容器外筒の設計及び製作」「電子回路冷却系の検出器実機への統合」「検出器試運転」及び「検出器を真空中で動作させ検出器性能を評価」である。前３者は2019年度9月迄に並行して実施、10月には全てを統合した試運転を開始する。この際、検出器への高電圧印加は初めてとなるため、放電の可能性が伴う。放電回避のために十分に時間を掛けた高電圧印加並びに徹底したガス置換（脱酸素）を実施する。これは2ヶ月を想定しており、12月から検出器としての試運転を始める。この際には、放射線源(ストロンチウム)からのベータ線による放射線照射試験、また宇宙線の検出試験等を待機中で実施しつつ、検出器の基礎特性の理解に努める。その後、最終試験として、検出器のうちストロー薄膜が曝露されている領域を真空排気した上で、動作試験を継続。本研究の取りまとめとして、検出器の「検出効率」「固有位置分解能」を「印加電圧」「放射線の入射条件」の関数として詳細に測定し、併せて検出器の真空中での振る舞いを詳細に調べる。
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