MPPC(Multi-Pixel Photon Counter)を用いた

中性子検出器システムの開発

KEK-中性子

佐藤節夫、武藤豪

発表内容

• MPPC中性子検出器の開発経緯

• 中性子検出器について

• MPPCの基礎特性

• MPSD-中性子検出器の開発

• MHPD-中性子検出器の開発

• まとめ

MPPC中性子検出器開発の経緯

• ほとんどの中性子実験に3Heガス検出器が使用されてるが、3Heガスは同時多発テロ事件以後、米国の輸出規制で１０倍以上の高騰となり、簡単には買えなくなった。

• 代替え検出器として、シリコン光検出器のMPPCを用いた中性子検出器の開発を始めた。He3ガス検出器の置き換えタイプ（MPSD）と高計数率タイプ（MHPD）の開発を行っている。

• MPPC が1万個（3千円／個以下の見込み）なら、5mm角/pixelで、50cm×50cm、 1cm角/pixelで、1m×1mの領域が測定できる。＞＞ 3Heガス検出器の代替え可能？

時間を区切ってカウント

パルス中性子で飛行時間測定法

Lcount

time (<40ms)

陽子ビーム

速い中性子中速中性子遅い中性子

試料検出器

E=1/2*m(L/t)2パルス中性子の発生

時間分析により、試料位置での中性子エネルギーがわかる。

25Hz

中性子捕獲位置の検出

Q1

Q2

L

x

x/L=

Q1/(Q1+Q2)

４ｋΩ

3Heガス検出器の芯線に抵抗線を使用し、容量分割法で

中性子捕獲位置を求める。60cm-PSDでFWHM=5mm程度。

time

時間情報

3Heガス一次元検出器

PSD(position sensitive detector)

ヒストグラム化して解析をする

位置情報

J-PARC/MLFの多くの実験装置で3He検出器を使用

茨城県粉末装置（BL20）で800本のPSDの一部の様子。この他にも、BL01で200本程度、BL08で800本程度、BL12で260本程度、BL14で320本程度、BL21で700本程度使用している。しかし、3Heガス不足で充足率が低い。

MPPCの基本特性

1mm角MPPC 3mm角MPPC

1mm角と3mm角が浜松ホトニクス社から販売されている。

6Liガラスシンチレータで中性子が非常に良く識別できる。＞＞光電子増倍管との代替えが可能。

6Liガラスシンチレータ取り付け

MPSD(MPPC Position Sensitive Detector)の開発

• MPPCをたくさん並べ、抵抗ネットワークにまとめ

て重心計算で位置を求める中性子検出器として使用する。処理速度は20kcps/検出器程度である。計数率は低いが、高い位置分解能で測定できる。

• 既存のデータ処理システムのNEUNETが使用できる。抵抗ネットワークの両端の信号をADCでデ

ジタル信号に変換し、中性子データとして時刻と両端の波高値を記録する。

MPSDの測定原理

MPSDの測定原理、ハードウェアで重心を求める。

MPSDの読み出し回路には、既存のNEUNETシステムが使用できる。

MPSDの内部構造

シンチレータ 拡散ガラス MPPC 処理回路

MPPC-PSD、試作５枚目(32cm)

位置分布図（上）、波高分布図（下）15mmずつ21点照射、FWHM=2.79mm

位置分布図（上）、波高分布図（下）一様ビーム照射

MPSDの8枚セット組み上げ

• MPSDを8枚組み上げ、He3-PSDの1セットと同じにしてテストした。

• 中性子ビームが使用できなかったので、中性子チェッキングソースで確認を行った。

• MPPCを既定の電圧より高い状態で使っていたので、MPPC自体がγ線を感じることが確認された。

MPPC-PSD、8枚セット

試作5枚目基板を8枚調整し、重ねた。MPPCを64 x 8 = 512個使用した。32cm x 4cmの範囲を3mm x 5mmの細かさで中性子を検出できる。中性子シンチレータ（ZnS/Li6）を各基板ごとに切らないで、1枚もので使用。

MPSDの8枚セットを拡散ガラス側から見た

横から見た

MPPC拡散ガラス ZnS

MPPC-PSD、γ線測定

Co60γ線チェッキングソース

上の1本以外、カウントが多かった

MPSDの8枚セットの測定システム

-100型-050型

-100型は-050型より3倍程度増幅率が高い＞＞低い電圧で使える

MPPC-PSD、中性子測定

Cf252中性子チェッキングソースで測定 測定データ、2次元画像が得られる

Co60・γ線の測定と、Cf252・中性子の測定から、MPPCの-100型と-050型の違いが見れた。 -050型を使用し、かける電圧が高いとγ線を直接感じてしまうことがわかった。電圧を下げていくと、中性子のカウント数が71%に減るが、γ線は3%以下に減ることがわかった。このことから、 -100型がより良いことがわかった。

MHPD(MPPC High count-rate Pixel Detector)の開発

• MPPCを1ピクセルの中性子検出器として使用する。処理速度は250kcps/pixelである。

• 各MPPC出力を独立にディスクリ（LLD）でデジタ

ル信号に変換し、中性子データとして時刻とパルス幅を記録する。

• 位置分解能は落ちるが、高計数率で広面積を測定できる。

MHPDの開発

MHPDの構成図

青：アンプ出力、黄：ディスクリ出力

赤：ZnSシンチレータの中性子信号、青：アンプ出力

250kcps x 64

速：4Mcps

制御回路：パルス幅とTOF時間、時刻をイベントデータにする。

MHPDの開発：基板作製

半田面：各MPPCのディスクリとFPGAを配置している。

各MPPCごとには4µ秒（250kcps）の処理能力がある。1枚の制御回路で8枚のMHPD検出器が処理できる。制御回路全体で4Mcps（32MB/S）の処理及び転送能力がある。

部品面：各MPPCの電圧調整用のDACを配置している。

MPPCを5mm間隔で64個並べた基板を作製

MHPDシステム：検出器基板を遮光し、制御回路で処理し、1GbitネットワークでPCにデータを送る。

MHPDの開発：中性子測定

左側に照射

Cf252中性子チェッキングソースでの測定

位置を識別できることが確認できた。MPSDとほぼ同じカウント数であった。パルス幅が3µ秒程度で、ZnSの特性に合っている。中性子ビーム照射で正確な測定をする必要がある。

中央に照射 右側に照射

位置（単位：5mm）

パルス幅（単位：25ns）

Cf252中性子チェッキングソースを使用した測定

MHPDの開発：LED測定制御PC

LEDでの測定

LEDを1mmずつ移動した測定：LEDの点滅がほぼ正確に測定できた。パルス幅はMPPCの変わり目で少し狭くなった。排他処理でダブルカウントはなかった。

LED照射位置―パルス幅

LED照射位置―MPPC出力位置

制御回路

MHPD検出器回路

スライダー

LED

MPPC出力位置―総カウント数

暗箱と暗幕

まとめ

• MPSDを8枚組み上げ、中性子チェッキングソースで確認を行った。MPPC自体がγ線を感じることが確認された。改善策として、増幅率の大きな-100型を採用。

• MHPDの開発を始めた。250kcps/pixelの処理速度。8本制御システムを考えていて、全体で4Mcps(32MB/s)の転送ができる。

• 北大で7月14,15日にビーム実験予定。