Performance study of the plastic scintillator for BESS experiment with heavy-ion beams

Abstract

BESS (Balloon-born Experiment with a Superconducting magnet Spectrometer) has been performed since 1993 in order to measure the precise energy spectrum of cosmic-ray particles. BESS spectrometer has a large acceptance (0.3 sq m sr) and a wide energy range (0.2 - 100 GeV). Most of scientific data were collected at altitudes of about 36 km during the balloon flights over the northern Canada. A prototype of a new plastic scintillation counter to use on board the BESS has been developed and tested with RIPS (RIKEN Projectile-fragment Separator) produced heavy ion beams. Data for the luminescent response of Plastic sintillator (PL) to heavy ions is presented. The particle identification of the fragment was carried out event-by-event by means of measurement of Time-Of-Flight (TOF) and energy deposit (Delta E). The TOF of fragments between the production target and the final focal plane of RIPS was obtained from the PL timing and RF (Radio Frequency) signal of the cyclotron. The Delta E of heavy ion was obtained from the silicon detector. The response resolution of the scintillator is better than 4 percent for particles which passed through the plastic. It is obvious that the scintillation light output is not a simple single variable function of Delta E but a two variable function of beta and charge state. It can be concluded that the present PL counter has a good response resolution and a small nonuniformity.

BESS(超伝導磁石スペクトロメータによる気球搭載実験)は宇宙線粒子の精密なエネルギースペクトルを測定するために1993年以来行われてきた。BESSスペクトロメータは大きなアクセプタンス(0.3平方メートルsr)と広いエネルギー範囲(0.2?100GeV)をもち、ほとんどの科学データは北カナダ上空の高度36kmの気球飛行で集められた。BESSに搭載して使用する新しいプラスチックシンチレーションカウンタの原型を開発し、RIPS(理研入射核破砕片分離装置)生成の重イオンビームで試験した。プラスチックシンチレータ(PL)の重イオンビームに対する発光応答のデータを与えた。破砕片の粒子弁別は飛行時間(TOF)測定とエネルギー沈積(ΔE)により事象毎に行った。生成標的とRIPSの最終焦点面間の破砕片のTOFはサイクロトロンのPLタイミングとRF(高周波)信号から得、重イオンのΔEはSi検出器から得た。シンチレータの応答分解能はプラスチックを通過した粒子に対して4%以上である。シンチレーション光出力はΔEの簡単な1変数関数ではなく、βと電荷状態の2変数関数である。PLカウンタは応答分解能が良く、非均一性が小さいと結論できた。