液体キセノン中での電荷増幅を用いた
TPCによる暗黒物質検出器の開発
関谷洋之，伊藤好孝A，増田公明A，今井祐輝B，河島孝則B，
澤田恭平B，高橋光成，竹内雄也B，福永大輔B，奥野友貴B，
引持力哉B，山野内雄哉B，四谷祐輔B，脇山雄多B
東大宇宙線研，名大太陽地球環境研A，名大理B
日本物理学会第69回年次大会
2014年3月30日 東海大学
キセノン暗黒物質検出器の売り
• Self shielding によるBG rejection
• Scintillation とIonizationの両方が検出できる
–
excitation/ionization比によってPIDしてBG rejection
Doke Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 41 (2002)
NJT Smith ICRC2013T
日本物理学会第69回年次大会 2014年3月30日
関谷洋之
2
どう使うか
暗黒物質検出器として考えた場合、液体キセノンがベース
3通りの方法が考えられてきた
• 1相
– 単に液体シンチレーターとして
– Ionizationを光でみるTPCとして
Xenon phase diagram
• 2相 (気体と液体)
1相 TPCと同じだがより簡単に実現でき
世界の主流となった
c.f.
気体キセノン TPC：方向感度検出器
固体キセノン (R&D@ UCLA, Fermilab,…)
• 固体キセノンシンチレーター
• 固体キセノンTPC
• 固体＋ガス2相式TPC
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関谷洋之
3
1相 TPC
• Xe検出器の最初のアイデアで、様々研究されたが未実現
– 電離で生じた電子を電場で集め、さらに高電場で電荷増幅、比例蛍光を発生させる
Charge
+HV
+HV
S2
S2
E
S1 - e- e
e
e- - ee S1
E
-HV
S1
S2
Time
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関谷洋之
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最近のproposal
•
Spherical/Cylindrical
TPC Masuda,Itow and HS
•
ParisTPC conf (2012)
Thick GEM in LXe
•
Breskin
ParisTPC conf (2012)
できれば
CsI蒸着したGEMで光読み出し
PIDに加え、event positionを正確に
決めSelf shieldingを完全なものにする
+HV
(様々なmotivation)
Up Level PANDA-X
Giboni
WPAS2014 conf.
二相式検出器の液面コントロール
が実は厄介だ
Charge
Detects S1&S2
S2
Detects S1
E
e- -ee S1
Gas spherical TPC
Giomataris JINST 3:P09007(2008)
(GND)
HV
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関谷洋之
5
準備実験を計画中
• ワイヤーによる液体キセノン中の電荷増幅およびS1,S2の確認を目指す
XMASSの
プロトタイプPMT
Miyajima & Masuda et. al.,
NIM 160 (1979) 239,247 の再現
210Poからのα
ワイヤー電圧 1.6kV
S1
3.0kV
S1
S2
S2
+3kV
電位
0V
-6kV
“比例計数管”
直径6mm
ワイヤー線径10μm
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関谷洋之
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電極およびキセノン容器
• コッククロフト回路による電圧供給
– 丸ごと液体キセノンに漬ける
•
MgF2窓
内容積0.43L
– MgF2窓を通して光読み出し
– セラミック基板上に回路
•
Xe導入
ライン
液体窒素温度で動作確認した素子
–
–
フィードスルー
温度計
液面計用
フィードスルー
電源用
電荷読み出し用も
ダイオードSTMicro STTH1L06
コンデンサVishay 564R30GAT47
３００V入力
高圧アンプ(HEOP-0. 6B1-L1-2/松定)
ｘ20、ｘ10昇圧回路
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関谷洋之
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電場シミュレーション（の状況）
•
３D有限要素法解析ソフトFemtet®（ムラタソフトウェア）を用いて実験前に確認
–
–
現状、キセノン、SUS容器含め全体2mmテトラメッシュでの計算（6mm fのワイヤー空間も）
10mmfのワイヤー等Geometryは完全にできている
•
等電位面
•
電場ベクトル
→電極のエッジで
放電するかも
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関谷洋之
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冷却装置、外真空容器
•
MOA実験で使用されていたCCD冷却用クライオスタットを改造
–
–
液体窒素容器から銅リボンでキセノン容器とヒートリンク
キセノン容器の温度をPID制御で銅リボン連結部のカプトンヒーター（30W）にフィードバック
銅リボン
温度計
カプトンヒーター
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関谷洋之
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冷却実験
•
キセノン容器を10-4Paにして冷却し、キセノン容器天部と底部の温度をモニタ
–
–
•
上部(配管が常温部と接続)は冷えず
最大90℃の温度勾配ができてしまった。
ステンレス容器の熱伝導が悪い
0.5tの銅板16枚で上下のヒートリンクを改善
改良前
改良後
•
時間はかかるが、上下温度差解消
–
–
‐104℃での温度コントロールも確認
窒素切れで終了
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熱伝導シミュレーション（定常状態）
•
Femtet®で冷却実験およびヒートリンク導入効果の検証
–
•
25.3mmのメッシュ
まず、無限時間後の上下温度差
– 境界条件： 外容器 +20℃ 銅リボンの先 -100℃
改良前
-94.0℃
改良後
-98.1℃
-100℃
-100℃
•
到達温度が４℃改善
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関谷洋之
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熱伝導シミュレーション（時間発展）
•
キセノン容器の底面が-100℃になった時の上面温度
改良後
-56.7℃
改良前
+1.7℃
-100℃
-100℃
•
改良前
改良後
下面が-100℃に達する時間
1620s
2580s
上面の温度
1.725℃
-56.701℃
温度差
101.665℃
43.267℃
おおおそ、再現できている → 新容器の設計に生かす
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関谷洋之
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まとめ
• 大型液体キセノンTPCで、キセノンの特徴である
PIDとself shieldingを最大限生かした暗黒物質探
索がしたい
• まずは超小型プロトタイプで原理検証するべく努力
している
• 電極、クライオスタットは準備完了、最適化したキセ
ノン容器を再製作してはやく信号みたい
• その先、やはり窒素よりも、冷凍機を準備するべし
• プロトタイプとしての球形や円筒形検出器のデザイ
ンをするためのシミュレーションの準備も進んでいる
日本物理学会第69回年次大会 2014年3月30日
関谷洋之
13
プロジェクトの今後
• 原理検証
– S1/S2の確認
• 実機を見据えたプロトタイプ
2014
この辺
– 球or円筒? シミュレーションによるデザイン
– 冷凍機の準備
• XMASS1+,1.5+ ? 別物？
• もっと一般的な応用？
– 暗黒物質だけでなく、MeVガンマ検出器等
としての一般的応用の検討
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関谷洋之
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Extra Slides
日本物理学会第69回年次大会 2014年3月30日
関谷洋之
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キセノン暗黒物質検出器の売り
• Self shielding によるBG rejection
• Scintillation とIonizationの両方が使える
– excitation/ionization比によってPIDしてBG rejection
Doke Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 41 (2002)
Aprile Phys. Rev. Lett 97(2006)
LXe
日本物理学会第69回年次大会 2014年3月30日
関谷洋之
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Single-phase TPC
Before the realization of two-phase detectors, there were
many studies focused on charge amplification and
proportional scintillation in single-phase LXe.
Derenzo , Phys. Rev. A 9 (1974) 2582
Charge gain ~400
LXe
LXe
Miyajima NIM 134 (1976) 403
Charge gain ~100
IPMU ACP seminar 7/2/2014
H. Sekiya
17
S2 in LXe
LXe
Benetti NIMA 327 (1993) 203
Masuda NIM 160 (1979) 247
109Cd
22keV was observed
Charge gain &
proportional scintillation
LXe
LXe
IPMU ACP seminar 7/2/2014
H. Sekiya
18
Why are noble liquids good for WIMP searches?
• Large mass/scalability especially Ar ←cost
• Large mass number especially Xe
→Passive BG rejection: self shielding by fiducialization
Noble gas interaction process
• Large light yields→low threshold
• Purification→low BG
• Both scintillation and ionization
signals are detectable.
• Excitation/ionization ratio provides
electron/nuclear recoil separation
→Active BG rejection
NJT Smith ICRC2013T
IPMU ACP seminar 7/2/2014
H. Sekiya
19
Single-phase scintillator
• This concept has been realized recently
– Also sensitive to ionization, in a sense, through the recombination process
– Singlet/triplet ratio differs between nuclear/electron recoil events
←possibility of PSD
PMT array
S1
Time
S1
IPMU ACP seminar 7/2/2014
PSD?
H. Sekiya
20
Single-phase TPC
• The original concept, but has not been realized yet.
– By applying an electric field, electrons produced by ionization can be collected. These
can be observed via charge amplification or proportional scintillation with a strong
electric field.
Charge
+HV
+HV
S2
S2
E
S1 - e- e
e
e- - ee S1
E
-HV
S2
S1
H. Sekiya
Time
21
double-phase TPC
• Realized first. Now well-established with several
successful implementations
– Same as single phase TPC, but if electrons are extracted from liquid phase to gas
phase, charge amplification / proportional scintillation become easier with a strong
electric field
+HV
S2
E
S1 - e- e
e
-HV
S1
IPMU ACP seminar 7/2/2014
S2
H. Sekiya
Time
22