佐久間　史典　(理研) 徳田　真　(東工大M1) 大西　宏明　(理研) 岩崎　雅彦　(理研) J-PARC E15実験

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1 J-PARC E15実験における TGEM-TPCの開発 @理研
佐久間　史典　(理研) 徳田　真　(東工大M1) 大西　宏明　(理研) 岩崎　雅彦　(理研) J-PARC E15実験 E15でのTGEM-TPC TGEM について 理研でのTGEMの現状 まとめ・これから

2 deeply-bound kaonic nuclear states exist?
J-PARC E15実験 deeply-bound kaonic nuclear states exist? T.Yamazaki, A.Dote, Y.Akiaishi PLB587,167(2004). KEK-PS RHIC, LHC QGP J-PARC? neutron star Y.Akaishi & T.Yamazaki, PLB535, 70(2002). W.Weise NPA553, 59 (1993).

3 L neutron 3He K- p p- search for K-pp bound state
using 3He(K-,n) reaction K-pp cluster neutron 3He K- Formation Missing mass Spectroscopy via neutron Decay L p p- Mode to decay charged particles exclusive measurement by Missing mass spectroscopy and Invariant mass reconstruction Invariant mass reconstruction at J-PARC

4 K1.8BR Beam Line p n p- p 1GeV/c K- beam Neutron ToF Wall
Spectrometer Sweeping Magnet Beam trajectory K1.8BR Beam Line CDS & target neutron Neutron Counter flight length = 15m Beam Sweeping Magnet p n p- Cylindrical Detector System p 1GeV/c K- beam

5 E15でのTGEM-TPC important to measure not only non-mesonic decay mode
but also mesonic decay mode to improve z-resolution, Thick-GEM TPC will be installed

6 design located between CDC and target-chamber
cover the CDC acceptance of AUVA minimum materials in the acceptance 1mm spatial resolution in the z-direction

7 これから作成・2月には完成予定 / よろしくお願いいたします林栄さん
~500mm ~300mm f280mm f170mm field strip flexible print circuit board 8mm strip 10mm pitch double sided R/O pad field cage これから作成・2月には完成予定 / よろしくお願いいたします林栄さん

8 ASD-chipを用いて、時間情報のみを取り出す
Prototype of Readout-Pad for preamp through-hole 20mm 4mm ASD-chipを用いて、時間情報のみを取り出す preamp arrangement

9 Filed calculation Maxwell-2D calculation potential electric field

10 drift-line of electron
Garfield calculation contours of potential drift-line of electron gas:P10, B=0.5T

11 Expected performance resolution
assumption : gas = P10, 1atm E = 150V/cm  Cdl = 0.34mm, Cdt = 0.60mm s0l = 0.5mm s0t = 0.2mm Neff = 38.7*0.4(cm) = 15.5 resolution sx : total resolution s0 : resolution w/o diffusion Cd : diffusion constant z : drift distance Neff : effective number of electrons however, f-direction resolution is limited by pad size, e.g., 20.0/sqrt(12) = 5.8mm

12 etched and drilled patterns are not centered systematically!
TGEMについて Thick-GEM、TGEM、THGEM ロバスト(強靱)、シンプルな製造工程、1枚あたりのゲインが高い double-clad G10(FR4)基盤を材料に、通常のPCB技術を用いて安く作ることが出来る(はず) 「穴」はドリルで空け、放電防止の「穴の周りの逃げ(Rim)」はケミカルエッチングで空ける foil-GEMに比べて、取り扱いが楽、オペレーションが楽(多少の放電で死なない)、大面積を覆える可能性 電極やインシュレーターの素材を変えることによって、さらに安定したTGEMを作ることが出来る可能性 10cm HV 500mm etched and drilled patterns are not centered systematically!

13 Carbon(graphite) electrode
理研でのTGEMの現状 林栄精器にて以下の6種類のTGEMを作成 TGEM# #0 #1 #2 #3 #4 #5 (Carbon) Thickness [mm] 0.4 0.2 Drilled hole diameter [mm] 0.3 0.5 Etched hole diameter [mm] No Pitch [mm] 0.7 0.6 Size [mm2] 100 x 100 #5 RETGEM Carbon(graphite) electrode

14 500mm #0 400mm, w/ Rim #1 400mm, w/ Rim #2 400mm, w/o Rim #3 200mm, w/ Rim #4 200mm, w/o Rim #5 400mm, w/o Rim Carbon electrode

15 test chamber setup 55Fe gasはP10, 1atmを使用 readout pad drift mesh 11mm
TGEM #1 TGEM #2 R/O pad  ASD Edrift Etrans Einduct 55Fe setup readout pad gasはP10, 1atmを使用 HV dividerは抵抗チェーンで作成 測定はASD(t=80ns)のアナログ出力と生シグナル effective gainは生シグナルから計算して導出 　 ASDシグナルを用いてスケール

16 DVGEM:Etrans:Einduct=1:2.5:2.5
effective gain of #0 Edrift=150V/cm DVGEM:Einduct=1:2.5 DVGEM:Etrans:Einduct=1:2.5:2.5 sparkが見られる 目標 : 実際に掛けるVthを考慮すると、ASDのp.h~150mV以上で安定動作

17 raw signal, ASD signal, ADC of #0
Double TGEM #0 P10, 1atm DVGEM = 1225V HV-type1 55Fe X-ray raw signal Double TGEM #0 P10, 1atm DVGEM = 1225V HV-type1 55Fe X-ray ASD signal gain~1.1x104 ADC Double TGEM #0 P10, 1atm DVGEM = 1111V HV-type2 55Fe X-ray res~16%(s)

18 Einduct dependence of #0
DVGEM = 1300V foil-GEMとは異なり、gainの上がり方がものすごい foil-GEMでは8kV/cm程度までlinear-scaleで上昇 [S.Bachmann et al., NIM A438, 376 (1999).]

19 Einduct/Etrans dependence of #0
Edrift=150V/cm type1 DVGEM:Etrans:Einduct=1:2.5:2.5 type2 DVGEM:Etrans:Einduct=1:2.5:5 type3 DVGEM:Etrans:Einduct=1:5:5 HV dividerは右の3種類を試す sparkが見られる ASD-analogの限界 予想通り、Einductを上げることにより安定にgainを稼ぐことが出来る

20 GEM #4 (200mm, w/o Rim)はsignal見えず
TGEM dependence of #0,1,2,3,4,5 Edrift=150V/cm DVGEM:Etrans:Einduct=1:2.5:5 sparkが見られる GEM #4 (200mm, w/o Rim)はsignal見えず GEM #2,3はraw-signal見えないため表示無し 200mm TGEM はP10,1atmでは使えない!

21 raw signal, ASD signal, ADC of #5(Carbon)
Double TGEM #5 P10, 1atm DVGEM = 911V HV-type2 55Fe X-ray raw signal Double TGEM #5 P10, 1atm DVGEM = 911V HV-type2 55Fe X-ray ASD signal gain~6.9x103 ADC Double TGEM #5 P10, 1atm DVGEM = 889V HV-type2 55Fe X-ray res~12%(s)

22 Einduct/Etrans dependence of #0,1,2,5
sparkが見られる [w/ Rim]はgainでlimit、[w/o Rim]はHVでlimitされるようだ

23 DVGEM:Etrans:Einduct=1:2.5:5
time dependence of #0,1,2,5 Edrift=150V/cm DVGEM:Etrans:Einduct=1:2.5:5 Cu electrodeでは時間と共にgainが下がる  1時間程度で落ち着く

24 その他気がついたこと sparkの後は、gainが上がる(大きいと2倍程度)ように見える 特にRim有りはその傾向が強い
　回復に0.5~1.5時間程度を要する Einductを上げすぎると、(当たり前だが)parallel plate multiplication が起こる 　GEMのゆがみのせいでpadに近くなって以下のような状態になった Rim有りのTGEMは、原因不明で結構大きい+chargeのsignalが見える 　固定をしっかりすることによりある程度減るが、完全に無くならない… Double TGEM #2 P10, 1atm DVGEM = 902V HV-type2 55Fe X-ray

25 まとめ・これから 400mm TGEM、RTGEMは(使い方を間違わなければ)十分実用レベルに達していると思われる
J-PARC E15はK中間子原子核を探索する実験である Z-vertex-resolution向上のためのupgradeとして、TGEMを用いたTPCを開発中である 400mm TGEM、RTGEMは(使い方を間違わなければ)十分実用レベルに達していると思われる GEMの均一性? ion-feedbackのstudyを行う 　　  結果によってはfilterとして3枚目のTGEMを導入 RETGEMもう少し頑張る 実機での使用を仮定して、90Srを用いて外部トリガーによる評価を行う 実機に向けたTGEMの仕様決定・デザインを行う 2009年夏、TGEM-TPCは完成予定