モジュラー中性子アレイ

モジュラー中性子アレイ（MoNA ）は、ミシガン州立大学の原子核物理学研究施設である国立超伝導サイクロトロン研究所（NSCL）において、希少同位体の基礎研究に使用されている大面積・高効率中性子検出器です。高速フラグメンテーションビームの崩壊反応から発生する中性子を検出するために特別に設計されています。

検出器アレイ

モジュラー中性子アレイは、144個の独立した検出器モジュールで構成されています。各モジュールは、10cm×10cm×200cmのプラスチックシンチレータをベースとしています。このシンチレータバーの両端にはライトガイドが取り付けられており、光は両端にある光電子増倍管に導かれます。各検出器モジュールは遮光材で包まれており、検出器アレイを様々な構成で配置することができます。

MoNAは当初の構成では、16個の検出器が9層に密集して積層され、有効領域は幅2.0メートル、高さ1.6メートルでした。現在の配置（隣の画像参照）では、0.5メートルから0.8メートルの間隔で区切られた、それぞれ2層、2層、2層、3層の4つの独立したセクションに積層されています。MoNAは、多重ヒット機能を用いて中性子事象の位置と時間の両方を測定します。中性子のエネルギーは飛行時間測定に基づいています。この情報と検出された中性子の位置を組み合わせることで、中性子の運動量ベクトルが構築されます。^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

MoNA の検出効率は、NSCL の結合サイクロトロン施設 (CCF) で利用可能な高ビーム速度で最大化されます。50 MeV から 250 MeVのエネルギー範囲の中性子に対して、最大 70% の効率を持つように設計されており、これまでは実現できなかった測定に中性子の同時計数実験の可能性を広げます。この検出器は、スイーパー磁石^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}および荷電粒子用の焦点面検出器と組み合わせて使用されます。^{[ 8 ]}また、MoNA はモジュール設計になっているため、実験室間での輸送が可能で、S800 磁石分光器に設置されているスイーパー磁石と組み合わせて使用できます。^{[ 9 ]}この検出器は、高エネルギー検出効率を備えているため、提案されている ISF での高速フラグメンテーションビームの実験に最適です。

歴史

NSCLが結合サイクロトロン施設に機能をアップグレードした際、フロリダ州立大学とミシガン州立大学の共同研究チームは、既存の2つの中性子壁と組み合わせて中性子・フラグメント同時測定実験を行うためのスイーパー磁石を建設しました。この中性子壁はもともと低ビームエネルギー用に建設されたもので、CCFから想定される中性子エネルギーに対する効率は約12%しかありませんでした。2000年のNSCLユーザー会議において、ワーキンググループはプラスチックシンチレータ検出器を用いた多層構造のアレイを増設することで、効率を大幅に向上できる可能性に気付きました。

ワーキンググループミーティングには学部からの NSCL ユーザー数名が出席し、モジュール型の性質とシンプルな構造により学部生の参加を促す絶好の機会が提供されるだろうと示唆しました。

2001年の春、このアイデアは10の異なる機関（そのほとんどは学部）から提出された複数のMRI提案へと発展しました。これらの10の学術機関の物理学者たちはMoNAコラボレーションを結成しました。

この提案は2001年夏にNSFから資金提供を受けた。詳細設計に続いて、検出器アレイの最初のモジュールが2002年夏に納品された。翌年、すべてのモジュールは大学の学部生によって組み立てられ、テストされ、^{[ 10 ]}最終的にNSCLで完全なアレイを形成するために追加されました。

MoNAとの協力は、建設と試運転の初期段階が完了した後も継続され、現在は検出器アレイを実験に使用しています。これにより、協力する全ての学部生が、世界有数の希少同位体施設の一つで最先端の原子核物理学実験に参加することができます。学部生研究機関における研究は、複数のRUI（学部生研究機関）助成金を通じてNSFから資金提供を受けています。

MoNAコラボレーション

MoNAコラボレーションには現在、11の大学の物理学者が参加しています。このプロジェクトは、国立科学財団の資金提供を受けています。

コラボレーションのメンバーは次のとおりです。

この共同研究は、MoNA施設における実験プログラムの重要な部分に学部生が参加することを約束しています。共同研究参加機関のほとんどは、主に学部生です。学部生はMoNAの構築と試験に協力し、実験実行中およびデータ解析を通して継続的に参加しています。また、学部生向けに設計された集中的な夏季セッションを企画し、学生が実験のあらゆる段階に参加することを奨励しています。さらに、学部生も参加する会議を年に数回開催し、情報技術を活用して遠方の学部生を繋いでいます。

参考文献

^ Luther, B.; Baumann, T.; Thoennessen, M.; et al. (2003年6月)、「MoNA—モジュラー中性子アレイ」、核物理学研究セクションA、505 ( 1–2 ): 33– 35、Bibcode : 2003NIMPA.505...33L、doi : 10.1016/s0168-9002(03)01014-3
^ Baumann, T.; Boike, J.; Brown, J.; et al. (2005年5月)、「NSCL用モジュール式大面積中性子検出器の構築」、Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A、543 ( 2– 3): 517– 527、Bibcode : 2005NIMPA.543..517B、doi : 10.1016/j.nima.2004.12.020
^ Zelevinsky, V.; Volya, A. (2006)、「連続体殻モデル、反応、巨大共鳴」、Woehr, A.; Aprahamian, A. (編)、『捕捉ガンマ線分光法と関連トピックス：第12回国際シンポジウム』、2005年9月4日～9日、インディアナ州ノートルダム、AIP会議議事録、第819巻、アメリカ物理学会、pp. 493– 497、doi : 10.1063/1.2187905
^ Prestemon, S.; Bird, MD; Crook, DG; et al. (2001年3月)、「原子核物理学のための小型スイーパー磁石の構造設計と解析」、IEEE Transactions on Applied Superconductivity、11 (1): 1721– 1724、Bibcode : 2001ITAS...11.1721P、doi : 10.1109/77.920115
^ Toth, J.; Bird, MD; Miller, JR; et al. (2002年3月)、「核物理学のための小型スイーパーマグネットの最終設計」、IEEE Transactions on Applied Superconductivity、12 (1): 341– 344、Bibcode : 2002ITAS...12..341T、doi : 10.1109/tasc.2002.1018415
^ Bird, MD; Bole, S.; Gundlach, S.; et al. (2004年6月)、「NHMFL/NSCLスイーパーマグネットのクライオスタット設計と製造」、IEEE Transactions on Applied Superconductivity、14 (2): 564– 567、Bibcode : 2004ITAS...14..564B、doi : 10.1109/tasc.2004.829720、S2CID 34670655
^ Bird, MD; Kenney, SJ; Toth, J.; et al. (2005年6月)、「NHMFL/NSCLスイーパーマグネットのシステムテストと設置」、IEEE Transactions on Applied Superconductivity、15 (2): 1252– 1254、Bibcode : 2005ITAS...15.1252B、doi : 10.1109/tasc.2005.849553、S2CID 24997693
^ Frank, N. (2006),中性子過剰酸素同位体における中性子非束縛状態の分光法（博士論文）、ミシガン州立大学
^ Bazin, D.; Caggiano, JA; Sherrill, BM; et al. (2003年5月)、「S800スペクトログラフ」、Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B、204 : 629– 633、Bibcode : 2003NIMPB.204..629B、doi : 10.1016/s0168-583x(02)02142-0
^ Howes, RH ; Baumann, T.; Thoennessen, M.; et al. (2005年2月)、「モジュール型中性子アレイの製造：学部生研究への共同アプローチ」、American Journal of Physics、73 (2): 122– 126、Bibcode : 2005AmJPh..73..122H、doi : 10.1119/1.1794758

外部リンク

MoNAホームページ
INSPIRE-HEPにおけるMoNa実験記録

[1] Luther, B.; Baumann, T.; Thoennessen, M.; et al. (2003年6月)、「MoNA—モジュラー中性子アレイ」、核物理学研究セクションA、505 ( 1–2 ): 33– 35、Bibcode : 2003NIMPA.505...33L、doi : 10.1016/s0168-9002(03)01014-3

[2] Baumann, T.; Boike, J.; Brown, J.; et al. (2005年5月)、「NSCL用モジュール式大面積中性子検出器の構築」、Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A、543 ( 2– 3): 517– 527、Bibcode : 2005NIMPA.543..517B、doi : 10.1016/j.nima.2004.12.020

[3] Zelevinsky, V.; Volya, A. (2006)、「連続体殻モデル、反応、巨大共鳴」、Woehr, A.; Aprahamian, A. (編)、『捕捉ガンマ線分光法と関連トピックス：第12回国際シンポジウム』、2005年9月4日～9日、インディアナ州ノートルダム、AIP会議議事録、第819巻、アメリカ物理学会、pp. 493– 497、doi : 10.1063/1.2187905

[4] Prestemon, S.; Bird, MD; Crook, DG; et al. (2001年3月)、「原子核物理学のための小型スイーパー磁石の構造設計と解析」、IEEE Transactions on Applied Superconductivity、11 (1): 1721– 1724、Bibcode : 2001ITAS...11.1721P、doi : 10.1109/77.920115

[5] Toth, J.; Bird, MD; Miller, JR; et al. (2002年3月)、「核物理学のための小型スイーパーマグネットの最終設計」、IEEE Transactions on Applied Superconductivity、12 (1): 341– 344、Bibcode : 2002ITAS...12..341T、doi : 10.1109/tasc.2002.1018415

[6] Bird, MD; Bole, S.; Gundlach, S.; et al. (2004年6月)、「NHMFL/NSCLスイーパーマグネットのクライオスタット設計と製造」、IEEE Transactions on Applied Superconductivity、14 (2): 564– 567、Bibcode : 2004ITAS...14..564B、doi : 10.1109/tasc.2004.829720、S2CID 34670655

[7] Bird, MD; Kenney, SJ; Toth, J.; et al. (2005年6月)、「NHMFL/NSCLスイーパーマグネットのシステムテストと設置」、IEEE Transactions on Applied Superconductivity、15 (2): 1252– 1254、Bibcode : 2005ITAS...15.1252B、doi : 10.1109/tasc.2005.849553、S2CID 24997693

[8] Frank, N. (2006),中性子過剰酸素同位体における中性子非束縛状態の分光法（博士論文）、ミシガン州立大学

[9] Bazin, D.; Caggiano, JA; Sherrill, BM; et al. (2003年5月)、「S800スペクトログラフ」、Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B、204 : 629– 633、Bibcode : 2003NIMPB.204..629B、doi : 10.1016/s0168-583x(02)02142-0

[10] Howes, RH ; Baumann, T.; Thoennessen, M.; et al. (2005年2月)、「モジュール型中性子アレイの製造：学部生研究への共同アプローチ」、American Journal of Physics、73 (2): 122– 126、Bibcode : 2005AmJPh..73..122H、doi : 10.1119/1.1794758

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