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TA 実験 131 大気蛍光望遠鏡キャリブレーションのための小型線形加速器の開発

日本物理学会 2007 年秋季大会＠北海道大学. TA 実験 131 大気蛍光望遠鏡キャリブレーションのための小型線形加速器の開発. 2007 年 9 月 24 日 芝田達伸 池田大輔、池田光男、榎本收志、大沢哲、 柿原和久、佐川宏行、 佐藤政則、設楽哲夫、 杉村高志、福島正己、 福田茂樹、古川和郎、吉田光宏、 他 Telescope Array Collaboration. LINAC を用いたエネルギー較正.

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TA 実験 131 大気蛍光望遠鏡キャリブレーションのための小型線形加速器の開発

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  1. 日本物理学会2007年秋季大会＠北海道大学 TA実験131大気蛍光望遠鏡キャリブレーションのための小型線形加速器の開発 2007年9月24日 芝田達伸 池田大輔、池田光男、榎本收志、大沢哲、 柿原和久、佐川宏行、 佐藤政則、設楽哲夫、 杉村高志、福島正己、 福田茂樹、古川和郎、吉田光宏、 他 Telescope Array Collaboration

  2. LINACを用いたエネルギー較正 TA大気蛍光望遠鏡観測に含まれる不定性 較正定数を一括(積み上げ)して較正する。 大気蛍光の発光量 ～15% 大気中での光の減衰 ～11% 検出器(Q.E.,C.E.,ゲイン) ～10% ΔE⇔検出光量の直接較正 End-to-end 較正 再構成 ～6% (1) エネルギーが既知 =エネルギー損失が既知 (2) 近距離なので大気中での減衰が小さい(減衰の評価はできない) 近距離からの電子ビームを用いたエネルギー較正が非常に有効 光量の比から一括補正をかける事が可能となる。 FY…大気蛍光の発光量(エネルギー損失の関数) Np.eMC,DATA …検出光電子数(p.e) dΩ…ジオメトリ(立体角) Rdetector…検出器の較正定数(鏡反射、ファイルター、PMT)

  3. 製作しているLINAC(TA-LINAC)のスペック 40MeV 30000e- Air Shower 　　　　 高さ (m) Made by Geant4 100 View of lower FD Camera シャワーの縦方向発達 シャワー最大～0.35X/X0 100m先 40MeV×109 ～1016eV View of upper FD Camera 100m GEANT4で見積もられた検出光子数 ～106ph/pulse 水平方向 (m) (光子数は充分大きい) エネルギー : Max40MeV(連続変化可) ビーム頻度 : 1Hz（Max) 10km先 ～1016eV×104=1020eV ビーム電力: 6.4mJ/pulse(=109e－/pulse) EHECRの擬似イベント パルス幅 : 1μsec

  4. TA-LINACのデザイン 主要なコンポーネント －100kVパルス電子銃 バンチャー+2m管 (17MV/m) 90度偏向電磁石 加速用RFシステム 2856MHz(S-band) 加速ラインのデザインは Parmela(ビームシミュレータ)とGeant4を使用した。 10,20,30,40MeVビームのエネルギースペクトラム (低エネルギー領域はビーム窓によるエネルギー損失及び2次粒子)

  5. TA-LINACの設置 ビーム射出予定地点 TA-LINACは40、20フィートコンテナに収納 FDより100mの距離 必要な電力50～60kW(発電機から供給) (2.6度の傾斜) 40フィートコンテナ(12m×2.5m×2.8m) 加速器本体(ビームライン+RFシステム) 総重量16トン(コンテナ込で20トン) 20フィートコンテナ(6m×2.5m×2.5m) 冷却ユニット(冷却能力20kW) (注)コンテナは合成です

  6. TA-LINACの構築状況(ビームライン上) 導波管 電子銃 真空引き用ダクト 加速管 四重極電磁石 偏向電磁石 構築状況 期間：2007年1月～現在 カレントモニター類 －100kV電子銃 導波管+加速管 構築済 構築中 構築中 単体試験中 ファラデーカップ：製作済 導波管の一部 + ビームライン下流部 コアモニター：較正中 電子ビーム試験9月末(来週)

  7. TA-LINACの構築状況(RFシステム) RF試験2007年5月～6月 クライストロン 高周波システムとスペック 大電力パルスモジュレータ(日本高周波製) 出力電力 = 100MW クライストロン(三菱電機製PV-3030) 周波数 = 2856MHz 入力高周波電力 ～ 220W 入力高圧パルス～ 100MW 大電力パルスモジュレータ 出力電力 = 40MW(Max) 入力電圧特性 入力RF(=220W) 40 入力電圧(=300kV) 2.5μsec 30 出力電力(MW) 10 出力RF(=40MW) 210 310 入力電圧(kV) 観測パルス波形(40MW出力時)

  8. TA-LIANCの移動 加速器輸送、設置に関する問題と現状 (1)放射線問題(放射線発生装置設置) 設置許可について州政府には相談中 州政府へ申請登録設置許可 放射線漏れ量はKEKでのビーム試験で測定予定 (2)放射化品の輸送問題 使用中の物品に数点放射化品有り 基準値 全て「船舶による放射性物質等の運送基準の細目等を定める告示」に記載されている60Coの基準値以下である >10Bq/g & >0.1MBq (3)加速器としての輸送問題 「輸送貿易管理令」、「外国為替令」の項目に該当するか？ (使用機器が軍事目的(武器、兵器)に使用されないか?) 現在輸送会社に相談中

  9. 今後の予定 構築作業 電子銃単体の試験(9月最終週から試験) 下流ビームライン部(支持台)構築 ビームモニター較正 冷却配管の構築 全シールドの設置 ケーブリング(電磁石電源、モニター、安全系) 10月中には構築完了 11月に文科省による指定検査 ビーム試験@KEK 輸送作業 放射線発生装置の設置許可(ユタ州政府の許可必) 輸送に必要な手続き 輸送の許可(法令に反すると判断されたら経済産業省の許可必要) ビーム試験後の加速器の輸送準備 輸出は年明け 加速器の立ち上げは年度末

  10. まとめ 目的 ・ 全ての較正定数を一括(積み上げ)して較正する = End-to-End ・ 光量の比から一括補正をかける事が可能 スペックと構築状況 エネルギー Max40MeVの繰り返し1Hz(6.4mJ/pulse)、パルス幅1μsec 現在構築中 ビームライン+導波管 ：ほぼ構築済(現在真空引き中) RFシステム ：構築済(試験済) これからの予定 残りのビームラインの構築+電子銃試験 10月中に完了 構築作業 電流モニターの較正 ～11月試験運転 冷却配管の構築+ケーブリング+シールディング 輸送許可の手続き+設置許可の手続き 輸送作業 今年度中 輸送+設置

  11. Backup Slide

  12. Target of TA TA Hybrid From ICRC 2007 talk by M. Teshima • There is difference between the 2 experiments which are all use FD to make the energy scale. • TA can compare the energy scale of TA-FD only with it of TA-SD only. • TA can compare the energy scale of TA-FD with it of Hires-1. • TA-I aim to establish the method to measure the cosmic ray precisely.

  13. Site Map of FD Stations 3rd FD Station HiRes Telescopes was moved @ Middle Drum s 2nd FD Station @ Long Ridge 1st FD Station @ Black Rock Mesa MD Full Telescopes (12 telescopes) were installed LR BRM 35km Full Telescopes were constructed Test Observation was Started with 6 telescopes Millard county, Utah, USA Test Observation was Started 39.1o N, 112.9o W ～1300 m a.s.l.

  14. FD Station & Fluorescence telescopes 12 Telescopes/station (Upper ×6 Lower ×6) Fluorescence Telescope Segment mirror×18 256PMTs 1160mm Camera 1010mm Camera FD Station @BRM φ3.3m FOV Hex PMT+BG3 Filter Azimuth: 18°×6=108° (Hamamatsu R9508) Elevation: Upper: 3°～18° Lower:17.7°～33°

  15. FD Electronics Signal Digitizer and Finder (SDF) Patch Panel Pre-amp 16/camera 1st level trigger (signal-finding process) Recorded waveform: 51.2 ms PMT Dynamic Range: 8k p.e./100 ns Camera VME PC Track Finder (TF) 1/camera VME Run Control PC 2nd level trigger track-find process Partial track on border 5.4 ms for track-finding process Data Storage Central Trigger Distributor (CTD) 1/station VME Inter-mirror trigger, External trigger Distribute Final Trigger to all the telescopes Slow Control PC Total triggering process time: 9.8 ms CTD PC GPS, System clock, Reset/Interrupt HV PS: individual HV WEB PC HV PC LAN Internet

  16. Stereo event Taken in June 14, 2007, 09:49(UTC) Long Ridge Black Rock Mesa frame head =50.0017877 frame head (sec) =50.0017877 peak time diff. ~10ms ~3km

  17. Camera0 Camera2 Camera4 Camera6 Camera1 Camera3 LIDAR system FD event display of a LIDAR event Laser & Telescope Shot! 100 m LIDAR Doom Mirror 30cmf Nd;YAG laser 355nm, 4mJ(max) 5ns pulse Site : BRM In future, New One will be built at LR LIDAR system is operating at BRM, now!

  18. CLF system Central Laser Facility Steerable Nd:YAG laser 355 nm, 5 mJ Atmospheric monitoring, “Test beam” Long Ridge Black Rock Mesa CLF event were Observed at BRM&LD!! Event Time : June 13, 2007, 05:45 (UTC) peak time diff. < 100ns

  19. Linear Accelerator

  20. LINAC製作 TA-LINACはKEKとの共同研究としてKEKで製作 TA-LINACの製作場所 KEKの電子陽電子入射器棟 KEKの共同研究者 池田光男、榎本收志、大沢哲、柿原和久、佐藤政則、設楽哲夫、杉村高志、福田茂樹、古川和郎、吉田光宏 設計+製作におけるサポート

  21. Development of LINAC LINAC( call as “TA-LINAC” ) is developing @KEK in Tukuba Japan KEK( High Energy Accelerator Research and Organization ) Electron-Positron Injector Belle detector Working area for TA-LINAC Taken in last summer

  22. Design of TA-LINAC cont’d Detector Simulation with Geant4 Event display of Detected Photons FD station Energy = 40MeV Linac beam can be observed with 2 telescopes ～2×105 ph/pulse Injection Position ( 100m distance ) ～106ph/pulse (Enough Large)

  23. Future plan until Operation in Utah Construction Construction will be completed until end of October Full system beam test @KEK in November KEY point Accuracy of Beam Current & Energy Layout of LINAC system @ KEK Export to Utah, US Export : 2008.Feb Install to BRM site 2008.March Operation will be started from 2008.Apr @ BRM

  24. TA-LINAC beam test (Aug? ～Sep)@ KEK ( Layout of Beam Test in KEK ) We will measure the radiation level around the LINAC around Pre-Buncher+BUncher 2m Accelerator Tube To determine the shielding at BRM Bending Magnet Around Slit Around Faraday Cup

  25. TA-Linacビームが引き起こす空気の放射化と被曝TA-Linacビームが引き起こす空気の放射化と被曝 電子による外部被曝(体重60kgの人間に対して表面一様に照射)～0.1mSv/pulse 40MeV電子 直接放射化には関係ない 40MeVの電子の制動放射によって生成されるγ線( 0～40MeV) 一般的に40MeV程度のγ線が放射化を起す事はないが、10MeV前後のエネルギーのγ線の光核反応によって光中性子が発生する。 γ+ 14N  n + 13N 13N:T=9.96min (β崩壊) 空気中では… γ+ 16O  n + 15O 15O:T=123sec (β崩壊) ・光核反応によって生じた放射性同位元素(13N, 15O ) ・光核反応によって生じた中性子が空気中の40Arと捕獲反応を 起して発生する放射性同位元素(41Ar) 空気の放射化= ・中性子が土中の物質と捕獲反応を起し発生する放射性物質 ・γ線, 中性子を直接受ける事による外部被曝 生物への被曝= ・13N,15Oが呼吸によって体内に入る事による内部被曝 現在計算中(現段階では問題になるような放射化・被曝はない)

  26. Activation of Air and Exposure by TA-LINAC External exposure( Human Weight =60kg w/ AP ) by electron beam = 40×106(eV)×109(e-)×1.6×10-19(J/eV)/60(kg) ～0.1mJ/kg～0.1mSv 40MeV e- No Activation directory γ-ray from Bremsstrhlung ( Energy: 0～40MeV) Photo-neutrons are created by 10MeV γ-ray (Photo- Nuclear Reaction) γ+ 14N  n + 13N 13N:T=9.96min (β-decay) In the Air… γ+ 16O  n + 15O 15O:T=123sec (β-decay) ・Radioactive Isotope by Photo-Nuclear reaction(13N, 15O ) Activation of the Air = ・41Ar produced in the air by Neutron ・Radioactive Isotope by Neutron in Exposure of Human= ・External Exposure by γ-ray or Neutron ・Internal Exposure by 13N,15O

  27. γ-ray produced from Bremsstrhlung Simulated by Geant4 Primary beam =40MeV(104e-) 77912 entries 10±3MeV γ-ray Momentum vector of γ-ray (cosθ) 水平方向(m) Position distribution Photon Energy (MeV) cosθ (Red : 10±3MeVγ-ray) 77912photons ( 104e- ) horizontal 8×109photons ( 109e- ) we estimated the flux of γ-ray at the ground by Geant4 (1.6×108(10±3MeV))

  28. Estimation of effective dose equivalent by γ-ray Exposure(pSv/puslse) Effective Dose Equivalent( Eγ=0.1MeV) Kerma(Gy)=0.1(MeV)×Flux(1/cm2)×(μtr/ρ)×1.6×10-10/1(kg) μtr/ρ = Mass Energy transform coffie( 0.0279@1MeV ) 1cm dose equiv(Sv)=Kerma×1.003(=Sv/Gy) Effective dose equivalent (Sv) = 1cm dose equivalent×0.8 1.5pSv/pulse@10m  0.005μSv/hour

  29. Number of Neutron form Photo-Nuclear Reaction Photo-Neutron E～1MeV( Maxwell – Boltzmann distribution ) Number of Neutron and Exposure by Neutron Photo-Nuclear Reaction in the Air ( Assumption : Air = 100% N2 ) γ+ 14N  n + 13N # of N2 Nuclear =4.8×1019(1/cm3) 13N  13C + β+ + νe # of γ 1.6×108(10±3MeV) 13N:T=9.96min (β-decay) rage=300m #of Neutron= 1.6×108×4.8×1019(1/cm3) ×15×10-27(cm2)×30000(cm) Cross Section:15mb Threshold Energy=10.55MeV =500,000個 γ+ 16O  n + 15O Exposure @ 100m ground Kinetic Energy=1MeV 15O  15N + β+ + νe 4π Emission 15O:T=123sec (β-decay) Cross Section:8mb Fluence of Neutron =5.0×105/4π×1002m2=4×10-4/cm2 Threshold Energy = 15.6MeV Effective dose equivalent (Sv) =４×10-4(個/cm2)282(pSv・cm2) =0.1pSv/pulse =0.36nSv/h

  30. Activation of Air ( Estimated by simple calculation & Geant4 ) External Exposure to Human (Weight=60kg:AP) = 40×106(eV)×109×1.6×10-19(J/eV)/60(kg) ～0.1mJ/kg～0.1mSv/pulse 40MeV e-  No Activation γ-ray from Bremsstrhlung ( Energy: 0～40MeV) Photo-neutrons are created by 10MeV γ-ray (Photo- Nuclear Reaction) γ+ 14N  n + 13N 13N:T=9.96min (β-decay) In the Air… γ+ 16O  n + 15O 15O:T=123sec (β-decay) 500,000/pulse #of Neutrons = ・Radioisotope(13N, 15O ) from Photo–Nuclear Reaction Activation of the Air 1hour(1Hz) 4. 4×108(13N) = Effective Volume =1002×300m3 0.05Bq/m3/hour 14pSv/pulse γ-ray ・External Exposure by Exposure of Human = Neutron 0.1pSv/pulse 5nSv/hour ・Internal Exposure13N,15O

  31. ユタ州のバックグラウンド放射線 140 100 放射線レベル( μRm/hr ) (100Rm =1Sv) 20 0 2007年 Jun.29 Jul.05 Jul.12 空中のガンマ線バックグラウンド ユタ州の野火事によって地中の「ラドン」が巻上げられた事で空中のガンマ線バックグラウンドが20μRm/hrから最高140μRm/hrに上がった。 140μRm/hour= 1.4μSv/hr この値はKEKでは周辺管理区域から一般管理区域になるぎりぎりの値(1.5μSv/hour)

  32. シャワーシミュレーション LINACによるエネルギー較正方法 Geant4より計算 ΔEtrue=Nphoton/C0 ( C0 = 温度, 気圧, 波長に依存 ) 確認必要 大気蛍光望遠鏡のシミュレーションより計算 MC ΔEMCrecon=NMCdetected×fMCgeo×RMC( 鏡, パラグラス,BG３ )/C0 fMCgeo = Geometry factor for MC RMC( )=MCでの鏡, パラグラス、BG３の応答関数(反射率,透過率) DATA ΔEDATArecon=NDATAdetected×fDATAgeo×RDATA(鏡, パラグラス,BG３)/C0 エネルギー較正 カメラ単位でのΔE、PMT単位でのΔE ΔEDATArecon= Δ EMCrecon ? C0較正 温度, 気圧ウェザーステーションで常時測定 ΔE=Nphoton/C0 モデル依存 波長分光器 or PMTで測定

  33. How to calibrate? – Photon Correlation – Under discussion Energy Calibration is measurement of average of Ri i = PMT ID ( 1～256 ) FY…Fluorescence Yield (Function of dE/dX, etc) Np.eMC,DATA … Detected photo- electrons(p.e) dΩ…Geometry ( Angle ) Rdetector…Detector Parameters(Mirro、Filter、PMTs) We can define a correlation factor from ratio of # of p.e Correlation Factor We can correct # of Photoelectron in MC simulation.

  34. How to calibrate? – Fluorescence Yield – Can we calibrate the Fluorescence yield? Under discussion Model Dependent Parameter Nphoton=Δ E×C0 ( C0 = Temperature, Pressure, Humidity, Wavelength dependent ) Measured by Spectrometer or PMT(?) Measured by Weather Station(?) Δ E = Known Nphoton dependences on only C0 (1) Can we measure the yield depends on Weather parameters? (2) Can we measure the absolute yield ?

  35. How to calibrate? – Fluorescence Yield – (1) Can we measure the yield depends on Weather parameters? Temperature & Pressure Variation (near BRM ) 50℃ 20hPa Temperature (℃) ▲..MAX 〇..AVE ●..MIN Variation of Yield is very small ( < a few % ) Difference of Temperature btw Max and MIN  50℃ Difference of Pressure btw Max and MIN  20hPa Measurement of temperature or pressure dependence is not so useful….

  36. How to calibrate? – Fluorescence Yield – (1) Can we measure the yield depends on Weather parameters? Relative humidity Variation (near BRM ) 80 30% Relative Humidity(%) 10 Aug.28 Sep.3 Difference of Humidity btw Max and MIN during  30% Variation of Yield is 5～10% Measurement of humidity dependence may be useful…?

  37. How to calibrate? – Fluorescence Yield – (2) Can we measure the absolute yield ? If we locate chamber at output window, we can measure the yield . Beam can be bended along Horizontal line PMTs w/ filter or w/o filter ( Spectrometer ) We can setup Test bench for measurement of Yield. But this plan is not real now ….

  38. How to calibrate? – Fluorescence Yield – (2) Can we measure the absolute yield ? Linac Beam Near Telescope ～Φ30cm mirror + PMT FD ～ a few 10m 100m Locate another small telescopes and observe Linac shower Yield measurement ?? Compare FD telescope & near Telescope  Beam Intensity Monitor??

  39. 電子銃試験@KEKと最終版スペック 試験期間 2006年2月～3月,6月 電子銃のスペック 印加電圧 -30kVDC グリッドパルス電圧 ～-100V バイアス電圧 +50VDC 電子銃 高電圧電源 ビーム頻度 10-30Hz 観測されたビーム信号 パルス幅 1μsec 出力電流 Max0.6A 最終版電子銃のスペック -30kV電子銃はビームロスが高い=放射線レベルが高い 印加電圧 = -100kVパルス 現在-100kV電源準備中

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