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Noriaki kobayashi at Okayama, JPSMarch 22nd, 2010

HERMESのリングイメージングチェレンコフ検出器のエアロジェル屈折率長期安定性の評価

Long term stability of the HERMES RICH aerogel radiator

東工大理, 山形大理A

小林慶鑑, 今津義充, 宮地義之A, 柴田利明他HERMES Collaboration

22pBS-7

• HERMES実験

• HERMESにおけるリングイメージング型チェレンコフ (RICH)検出器

• RICHに使用したエアロジェル発光体

• エアロジェルの長期安定性

• まとめと今後の展望

内容


Semi-inclusive 測定散乱されたレプトンと生成ハドロンを同時測定

HERMES実験

粒子の識別 (PID) が重要な役割を果たす

2

ドイツ, DESY研究所での

偏極電子―核子の深非弾性散乱実験

核子のスピン構造の研究を主目的とする

1995年―2007年に実験データの

取得が行われた

実験データの解析は現在も続けられている

HERMES (HERA Measurement of Spin ) 実験

uu

d

h

π

e

N

γ *

π +

Ee=27.5 GeV

h


HERMES実験の検出器

3

(陽) 電子

約8m

核子標的

リングイメージング型チェレンコフ (RICH)検出器

Tracking system

PID System

Magnet

TOP

Bottom

1998-

ハドロン (π, K, p)を識別電子とハドロンを分離

鉛直: |θｘ｜< 170 mrad

水平: 40 <θy < 140 mrad

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チェレンコフ検出器による粒子の同定

チェレンコフ輻射

θ ：チェレンコフ角

n ：発光体の屈折率

β：真空中の光速に対する

粒子の速度の比

荷電粒子が物質中を運動する時、荷電粒子の速度がその物質中の光速度よりも速い場合に光が出る現象

cosθ=1

nβ

θの測定により質量mがわかり、粒子識別ができる

および p = mβγ

屈折率 n

荷電粒子

チェレンコフ光

θ

v > c/n

波面


HERMES-RICH (Ring Imaging Cherencov Counter ) 検出器

Ring Imaging Cherencov Counter (RICH )

光検出面

鏡面

C4F10ガス

エアロジェルタイル

：チェレンコフ光発光媒体

シリカエアロジェル

屈折率～ 1.03

低運動量領域の粒子識別に使用

約 10×10×1 cm3

5層、5×17 列；計425枚のタイルを配置

• 2種類の発光体 (エアロジェル、ガス)を用いる• 2-15 GeV/c の π, K, p を識別


～1.5m

外円：エアロジェルによるチェレンコフリング内円： C4F10ガスによるチェレンコフリング

光検出面の様子

HERMES-RICH に使用される２つの発光体

広運動量領域のハドロン識別のため

シリカエアロジェル、C4F10ガスの２つの発光体を使用

π 、K、pを2－15 GeV/c で識別できる

HERMESは実際の実験において、エアロジェルをRICHの発光体に世界で初めて用いた

naero=1.03

ngas=1.00014

例1)

例2)

Single Photon resolution: ΔΘ ～7.6 mrad


エアロジェルの長期安定性

• １９９８－２００７年の約１０年間の実験データからエアロジェル発光体の安定性を調査

• βが1に近似でき、RICHの粒子識別の影響を受けない電子 (Pe > 5 GeV/c) のデータを

使用１．透明度の長期安定性

θn

cos

1

2. 屈折率平均値の長期安定性

for Pe>5 GeV/c

各年度毎のPMTのヒット数からエアロジェルの透明度

の安定性を検証

各年度のチェレンコフ角からエアロジェル屈折率平均値の安定性を検証


エアロジェルの透明度の長期安定性

8

• １０年間にわたりTrack毎のPMTのヒット数は6.5～7.5で安定している。

•これは、エアロジェルの透明

度が長期にわたり安定していることを示している。


エアロジェル屈折率の長期安定性

9

1日毎にまとめたもの


エアロジェル屈折率の長期安定性

• 2000年－2002年のギャップは、RICHを再組立した時のアライメ

ントの変化によるものと考えられる。

•その影響を含めても、屈折率の平均値の変動はΔn~5×10-4 程度である。

•今後、タイル毎のばらつき (分散)の長期安定性の解析を行う。

1年毎にまとめたもの


まとめと今後の展望

• HEREMSは27.5 GeV の電子ビームを用いた偏極核子深非弾性散乱実験である。

• HEREMS実験では幅広い運動量領域のハドロンを粒子識別するため、RICH検出器にシリカエアロジェル、C4F10ガスの2種類の発光体を使用した。

• π 、K、pを2－15 GeV/c で識別する。

• HERMESは実際の実験において、エアロジェルをRICHの発光体に世界で初めて用いた。

• 1998年―2007年の実験データからエアロジェルの安定性を評価した。

• １０年間にわたりTrack毎のPMTのヒット数は6.5～7.5で安定している。これは、エアロジェルの透明度が長期にわたり安定していることを示している。

• エアロジェル屈折率の平均値の変動は10年間に渡ってΔn~5×10-4程度であり、チェレンコフ発光体として長期にわたり安定していることを示している。

• 今後の展望として、タイル毎の屈折率のばらつき (分散)の長期安定性の解析を行う。


Back Up


電子－ハドロン分離

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電子－ハドロン分離

• カロリーメータ• pre shower検出器• 遷移放射検出器

カロリーメータ

pre shower検出器遷移放射検出器

■ハドロン■電子

３つの検出器により99%以上の効率で電子とハドロンを分離可能

E E


Required Reconstruction Resolution

• 3σseparation of kaon and proton at 9.3 GeV/c, above whichC4F10 can be used as a threshold Cerenkov counter

– Δθ/θ≦1.4% is required

– For aerogel Δθ/θ~ 0.5% is required (Others: Photo-detector pixel size, correction efficiency and so on)

• Δθ/θ ~ 0.5% corresponds

– Δn/n ~ 1.0 %

Noriaki kobayashi at Okayama, JPSMarch 22nd, 2010 02/02/14

修士論文 15

IRT method

PMT の hit pattern からチェレンコフ角を決定する

Emission point : 発光体の中心と近似する

• 4点(C,D,S,E)は同一平面上にある•点Sは mirror 上にある•入射角=反射角

Sを決定するための条件

IRT法によるチェレンコフ角の決定

Noriaki kobayashi at Okayama, JPSMarch 22nd, 2010 02/02/14

修士論文 16

粒子識別のアルゴリズム

粒子をπ,K,pに仮定し、それぞれについて確率評価する

Likelihood の計算hit した PMT の位置をもとにチェレンコフ角θiを計算する

平均した放射角<θ>,広がりσ

2

2

2

)(exp)(

thL

粒子をπ,K,pに仮定し、それぞれについてLを計算し、Lが最大の粒子を選ぶ


エアロジェルを使用する利点

・低運動量領域の粒子を水などの液体で識別する場合、チェレンコフ角が大きくなるため非常に巨大な光検出器が必要になる。


PMT ヒット数

)1

1()(

sin)(

22

2

22

nLZdERTQ

c

LZdERTQc

NPMT

　　　　

　

Q: PMTの検出効率≧80% (@λ=600nm)

T: 発光体の透過率R: 鏡の反射率

≧85% (300<λ<600nm)

Z: 荷電粒子の電荷L: 荷電粒子が発光体を進む距離

θ: チェレンコフ角度


読み出しエレクトロニクス

• MWPCの読み出し回路（ LeCroy/PCOS4 ）を元に作成

• PMT：1934本－プリアンプカード:121台－バックプレーン:8つ－ VMEモジュール

• 各バックプレーンは、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA, Xilinux4005）を用いて16枚のプリアンプカードからデータをバッファリングし、順次転送するように設計

• バックプレーンからの信号は5本のフラットケーブルで約30m離れたシールドの外にある計測室に転送される


エアロジェルの光学的特性

レイリー散乱



透過率

T=A e-Ct/λ4

T:透過率λ：入射光波長

A : 0.964

Ct : 0.0094

透過率



The highest and lowest transmittance curves

(points), measured in steps of 10 nm

between 200 and 900 nm, from those 200

examined aerogel samples. The solid lines

are fits to the experimental data based on Eq.

(4).

透過率反射率

. (Top panel) The measured reflectance of light from aerogel. (Second panel)

The difference between the reflectances measured with and without the specular

plug in the integrating sphere. (Third panel) Calculated fraction of backscattered

photons from aerogel together with their fractions suffering 1, 2, 3, and 4

scatterings. (Fourth panel) The measured reflectance (the same as the top panel)

from aerogel with the calculated backscattering of the third panel of the figure

renormalized with a factor 0.85.


エアロジェルの一般的製法

テトラメトキシラン（Si(OCH3)4)と蒸留水を、アンモニアを触媒として、アルコール溶媒中で混合

mSi(OCH3)4+4mH2O → mSi(OH)4+4mCH3OH

（加水分解）

mSi(OH)4 → (SiO2)m+2mH2O （縮重合反応）

ゲル化


超臨界乾燥

超臨界乾燥は、超臨界流体を用いた乾燥技術である。

超臨界流体は高い拡散性や溶解性を持ち、表面張力も働かない。これらの特徴を利用し、従来の乾燥方法では大きな収縮や構造破壊を伴っていた繊細な物質でも、構造を保ったまま乾燥させることができる。超臨界流体には二酸化炭素が多く使用されている。これは超臨界二酸化炭素が高い溶解性を持ち、臨界点以下にすると気化して飛散するため、乾燥試料のみを取り出すことが可能だからである。

スパイスの乾燥、エアロゲルの製造、水を多く含む生体物質を走査型電子顕微鏡で見る際の前処理などに使われている。


超臨界流体

超臨界流体（ちょうりんかいりゅうたい, supercritical fluid）とは、臨界点以上の温度・圧力下においた物質の状態のこと。気体の拡散性と、液体の溶解性を持つ。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%87%A8%E7%95%8C%E7%82%B9

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%B8%A9%E5%BA%A6

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%9C%A7%E5%8A%9B

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%B0%97%E4%BD%93

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%8B%A1%E6%95%A3

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%B6%B2%E4%BD%93

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%BA%B6%E8%A7%A3


ゲルとは？

高分子ゲル（こうぶんしゲル）とは、高分子が架橋されることで三次元的な網目構造を形成し、その内部に溶媒を吸収し膨潤したゲルである。よって、高分子ゲルは、固体と液体の中間的な性質を併せ持つ物質である。架橋方法の違いにより「物理ゲル」、「化学ゲル」と分けて呼ばれることがある。前者は水素結合やイオン結合、配位結合などによって架橋されたもので、熱などの外部刺激により可逆的にゾル-ゲル転移するものもある。例としては寒天やゼラチンが挙げられる。後者は化学反応によって共有結合で架橋されたものであり、構造を壊さない限り溶けなく、化学的に安定である。紙おむつの高吸水性高分子やソフトコンタクトレンズなどは化学ゲルである。

http://ja.wikipedia.org/wiki/高分子

http://ja.wikipedia.org/wiki/ゲル

http://ja.wikipedia.org/wiki/ゲル

http://ja.wikipedia.org/wiki/水素結合

http://ja.wikipedia.org/wiki/イオン結合

http://ja.wikipedia.org/wiki/配位結合

http://ja.wikipedia.org/wiki/寒天

http://ja.wikipedia.org/wiki/ゼラチン

http://ja.wikipedia.org/wiki/化学反応

http://ja.wikipedia.org/wiki/共有結合

http://ja.wikipedia.org/wiki/高吸水性高分子

http://ja.wikipedia.org/wiki/コンタクトレンズ


シリカエアロゲル

シリカエアロゲルはもっとも一般的なタイプであり、広い分野で研究・応用されている。ケイ素を含む物質であり、シリカゲルから作られる。

もっとも低密度の固体として記録されているのはアメリカのローレンス・リバモア国立研究所により作られたシリカエアロゲルで、1.9 mg/cm3の密度、水の1 / 530の比重を記録した。

シリカエアロゲルは赤外線を良く吸収する。建築物に使えば、太陽熱の入射を抑えたまま採光することができる。

非常に低い熱伝導率 (およそ 0.017 W/(m·K)) のため著しい断熱性を持つ。融点は1200 ℃。

ギネスブックでは、シリカエアロゲルは物質として、最良の断熱物質、最小密度の物質など15項目の記録を持つ。


1998年における屈折率の変化

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