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
TA大気蛍光望遠鏡観測に含まれる不定性
大気蛍光の発光量
大気中での光の減衰
検出器(Q.E.,C.E.,ゲイン)
再構成
～15%
～11%
～10%
～6%
較正定数を一括(積み上げ)
して較正する。
ΔE⇔検出光量の直接較正
End-to-end 較正
(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
N pMC
.e ( FY (E)  d  Rdet ector )
N pDATA
.e
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)
製作しているLINAC(TA-LINAC)のスペック
40MeV
30000e-
Air Shower
Made by
Geant4
100
View of lower
FD Camera
高
さ
シャワーの縦方向発達
(m)
シャワー最大～0.35X/X0
View of upper
FD Camera
100m先 40MeV×109 ～1016eV
100m
水平方向 (m)
GEANT4で見積もられた
検出光子数 ～106ph/pulse
(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)
ビーム電力: 6.4mJ/pulse(=109e－/pulse)
パルス幅
: 1μsec
10km先 ～1016eV×104=1020eV
EHECRの擬似イベント
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)
TA-LINACの設置
ビーム射出予定地点
FDより100mの距離
(2.6度の傾斜)
TA-LINACは40、20フィートコンテナに収納
必要な電力50～60kW(発電機から供給)
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
TA-LINACの構築状況(ビームライン上)
導波管
電
子
銃
用真
ダ空
ク引
トき
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
－100kV電子銃
構築済
単体試験中
電子ビーム試験
9月末(来週)
導波管+加速管
構築中
導波管の一部
+ ビームライン下流部
カレントモニター類
構築中
ファラデーカップ：製作済
コアモニター：較正中
TA-LINACの構築状況(RFシステム)
クライストロン
RF試験2007年5月～6月
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
2.5μsec
入力電圧
(=300kV)
出力電力(MW)
入力RF(=220W)
40
30
10
出力RF(=40MW)
210
観測パルス波形(40MW出力時)
入力電圧(kV)
310
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
今後の予定
構築作業
下流ビームライン部(支持台)構築
冷却配管の構築
全シールドの設置
電子銃単体の試験(9月最終週から試験)
ビームモニター較正
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
ビーム試験@KEK 11月に文科省による指定検査
輸送作業
輸送に必要な手続き 放射線発生装置の設置許可(ユタ州政府の許可必)
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
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
構築作業
輸送作業
残りのビームラインの構築+電子銃試験
10月中に完了
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+設置
今年度中
Backup Slide
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.

Site Map of FD Stations
3rd FD Station
HiRes Telescopes was moved
@ Middle Drum
2nd FD Station
s
@ 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
39.1o N, 112.9o W ～1300 m a.s.l.
Test Observation
was Started
FD Station & Fluorescence telescopes
12 Telescopes/station
(Upper ×6 Lower ×6)
Fluorescence Telescope
Segment
mirror×18
256PMTs
1160mm
1010mm
Camera
Camera
FD Station
@BRM
FOV
Azimuth: 18°×6=108°
Elevation:
Upper: 3°～18°
Lower:17.7°～33°
φ3.3m
Hex PMT+BG3 Filter
(Hamamatsu R9508)
FD Electronics
Patch Panel
Pre-amp
Signal Digitizer and Finder (SDF)
16/camera
st
1 level trigger
(signal-finding process)
Recorded waveform: 51.2 ms
Dynamic Range:
PMT
Camera
8k p.e./100 ns
VME PC
Track Finder (TF) 1/camera
2nd level trigger
track-find process
Partial track on
border
5.4 ms for trackfinding process
VME
Run Control PC
Data Storage
Central Trigger Distributor (CTD) 1/station
VME
Inter-mirror trigger, External trigger
Distribute Final Trigger to
all the telescopes
Total triggering process
time: 9.8 ms
GPS, System clock, Reset/Interrupt
HV PS:
individual HV
CTD PC
Slow Control PC
WEB PC
HV PC
LAN
Internet
Stereo event
Taken in June 14, 2007, 09:49(UTC)
Long Ridge
frame head (sec) =50.0017877
Black Rock Mesa
frame head =50.0017877
peak time diff. ~10ms ~3km
LIDAR system
FD event display of a LIDAR event
Camera0
Camera2
Camera1
Camera3
Camera4
Laser & Telescope
Camera6
Shot!
100 m
LIDAR Doom
Site : BRM
In future,
New One will
be built at LR
Mirror
30cmf
Nd;YAG laser
355nm, 4mJ(max)
5ns pulse
LIDAR system is
operating at BRM, now!
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
Linear
Accelerator
LINAC製作
TA-LINACはKEKとの共同研究としてKEKで製作
KEKの電子陽電子入射器棟
TA-LINACの製作場所
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
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
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)
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
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
Bending Magnet
Around Slit
Around Faraday Cup
To determine the
shielding at BRM
TA-Linacビームが引き起こす空気の放射化と被曝
40MeV電子  直接放射化には関係ない
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。
空気中では…
γ+ 14N  n + 13N
γ+ 16O  n + 15O
13N:T=9.96min
15O:T=123sec
(β崩壊)
(β崩壊)
・光核反応によって生じた放射性同位元素(13N, 15O )
空気の放射化=
生物への被曝 =
・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)
・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
・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)
Activation of Air and Exposure by TA-LINAC
40MeV e- No Activation directory
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
γ-ray from Bremsstrhlung ( Energy: 0～40MeV)
Photo-neutrons are created by 10MeV γ-ray (Photo- Nuclear Reaction)
In the Air…
γ+ 14N  n + 13N
13N:T=9.96min
γ+ 16O  n + 15O
15O:T=123sec
(β-decay)
(β-decay)
・Radioactive Isotope by Photo-Nuclear reaction(13N, 15O )
Activation of
the Air =
Exposure of
Human =
・41Ar produced in the air by Neutron
・Radioactive Isotope by Neutron in
・External Exposure by γ-ray or Neutron
・Internal Exposure by 13N,15O
γ-ray produced from Bremsstrhlung
Simulated by Geant4
Primary beam =40MeV(104e-)
77912 entries
10±3MeV γ-ray
水平方向(m)
Momentum vector
of γ-ray (cosθ)
Position distribution
Photon Energy (MeV)
77912photons ( 104e- )
8×109photons ( 109e- )
(1.6×108(10±3MeV))
(Red : 10±3MeVγ-ray)
cosθ
horizontal
we estimated the flux of γ-ray at the ground
by Geant4
Exposure(pSv/puslse)
Estimation of effective dose equivalent by γ-ray
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
Number of Neutron form Photo-Nuclear Reaction
Photo-Neutron
E～1MeV( Maxwell – Boltzmann distribution )
Photo-Nuclear Reaction in the Air
( Assumption : Air = 100% N2 )
γ+ 14N  n + 13N
13N

13C
+
13N:T=9.96min
β+
+ νe
(β-decay)
Cross Section:15mb
Threshold Energy=10.55MeV
γ+ 16O  n + 15O
15O
Number of Neutron and Exposure by Neutron
 15N + β+ + νe
15O:T=123sec
(β-decay)
Cross Section:8mb
Threshold Energy = 15.6MeV
# of N2 Nuclear =4.8×1019(1/cm3)
# of γ
1.6×108(10±3MeV)
rage=300m
#of Neutron= 1.6×108×4.8×1019(1/cm3)
×15×10-27(cm2)×30000(cm)
=500,000個
Exposure @ 100m ground
Kinetic Energy=1MeV
4π Emission
Fluence of Neutron
=5.0×105/4π×1002m2=4×10-4/cm2
Effective dose equivalent (Sv) =４×10-4(個
/cm2)282(pSv・cm2) =0.1pSv/pulse
=0.36nSv/h
Activation of Air ( Estimated by simple calculation & Geant4 )
40MeV e-  No Activation
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
γ-ray from Bremsstrhlung ( Energy: 0～40MeV)
Photo-neutrons are created by 10MeV γ-ray (Photo- Nuclear Reaction)
In the Air…
γ+ 14N  n + 13N
13N:T=9.96min
γ+ 16O  n + 15O
15O:T=123sec
(β-decay)
(β-decay)
#of Neutrons = 500,000/pulse
・Radioisotope(13N, 15O ) from Photo–Nuclear Reaction
Activation of
=
the Air
Exposure of
=
Human
1hour(1Hz)
4. 4×108(13N)
Effective Volume
0.05Bq/m3/hour =1002×300m3
・External Exposure by
γ-ray
14pSv/pulse
Neutron
0.1pSv/pulse
5nSv/hour
・Internal Exposure 13N,15O
ユタ州のバックグラウンド放射線
100
(100Rm =1Sv)
放射線レベル( μRm/hr )
140
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)
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
Δ Etrue=Nphoton/C0 ( C0 = 温度, 気圧, 波長に依存 )
確認必要
MC
大気蛍光望遠鏡のシミュレーションより計算
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
ΔEDATArecon= Δ EMCrecon ?
C0較正
Δ E=Nphoton/C0
モデル依存
カメラ単位でのΔE、PMT単位でのΔE
温度, 気圧ウェザーステーションで常時測定
波長分光器 or PMTで測定
How to calibrate? – Photon Correlation –
Under discussion
 N pDATA
.e
Ri   MC
 N
 p .e



i
i = PMT ID ( 1～256 )
Energy Calibration is
measurement of average of Ri
N pMC
.e ( FY (E)  d  Rdet ector )
Np.eMC,DATA … Detected photoelectrons(p.e)
FY…Fluorescence Yield (Function of dE/dX, etc)
dΩ…Geometry ( Angle )
Rdetector…Detector Parameters(Mirro、Filter、PMTs)
We can define
a correlation factor
from ratio of # of p.e
 N
256
i 1
f
DATA
p .e
i
256

MC

N
calib 
p .e
i 1

i
Correlation Factor
We can correct # of Photoelectron in MC simulation.
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 Weather Station(?)
Δ E = Known
Measured by
Spectrometer or
PMT(?)
Nphoton dependences on only C0
(1) Can we measure the yield depends on Weather parameters?
(2) Can we measure the absolute yield ?
How to calibrate? – Fluorescence Yield –
(1) Can we measure the yield depends on Weather parameters?
Temperature (℃)
Temperature & Pressure Variation (near BRM )
50℃
20hPa
▲..MAX 〇..AVE
●..MIN
Difference of Temperature btw Max and MIN  50℃
Difference of Pressure btw Max and MIN  20hPa
Variation of Yield
is very small
( < a few % )
Measurement of temperature or pressure dependence is not so useful….
How to calibrate? – Fluorescence Yield –
(1) Can we measure the yield depends on Weather parameters?
Relative humidity Variation (near BRM )
Relative Humidity(%)
80
30%
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…?
How to calibrate? – Fluorescence Yield –
(2) Can we measure the absolute yield ?
If we locate chamber at output window,
we can measure the yield .
PMTs w/ filter or w/o filter
( Spectrometer )
Beam can be
bended along
Horizontal line
We can setup Test
bench for
measurement of Yield.
But this plan is
not real now ….
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
Compare FD telescope & near Telescope 
Yield measurement ??
Beam Intensity Monitor??
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
ビーム頻度 10-30Hz
電子銃
高電圧電源
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