筑波大高エネルギー原子核実験グループ (PHENIXグループ) 11/29/07~12/6

Presentation on theme: "筑波大高エネルギー原子核実験グループ (PHENIXグループ) 11/29/07~12/6"— Presentation transcript:

1 筑波大高エネルギー原子核実験グループ (PHENIXグループ) 11/29/07~12/6
FTBL実験報告 筑波大高エネルギー原子核実験グループ (PHENIXグループ) 11/29/07~12/6 参加者一覧 坂田洞察（MRPC） 横山広樹（TRD） 池田義雅 稲葉基 江角晋一 加藤純雄 梶谷緑 佐野正人 下村真弥 常鵬 田辺嶺 中條達也 浜田英太郎 益井宙 三明康郎　　　　　（５０音順　敬称略）

2 Outline 研究目的 実験セットアップ MRPC 　　　・MRPC 　　　・設計＆計画 　　　・結果 TRD 　　　・TRD 　　　・計画 今後の展望

3 実験目的 MRPC(Multi-gap Resistive Plate Chamber) TRD
　MRPCの汎用化及び、小型MRPCの動作性能確認の為　 　小型のMRPCを設計し、複数のTypeを製作し、 時間分解能・検出効率について以下の依存性を評価した ・HV依存性 ・入射角度依存性 TRD LHC-ALICE実験で使用するTRDのプロトタイプを用い、検出器の基本的特性の評価を行う 3

4 実験セットアップ ビームコンディション 床から１２０cmの位置で ５＊５ｃｍの領域に - 8Hz Scintillation Counter
TRD MRPC PbGlass Trig for TOF

5 MRPC（Multi-gap Resistive Plate Chamber ）
Gas を充填 荷電粒子 読み出しpad PCボード 電極 Outer glass Inner glass 10kV以上の高電圧をかける 異符号の信号 ギャップが十分薄く 　　　　　townsend領域に限定した放電 多数のギャップからの誘起電荷の重ね合わせ 良い時間分解能 検出効率の向上

6 2 Type of MRPC Single Stack Double Stack これらの実験のR&Dでは50~60ps
の時間分解能を得ている。 Single stack　6gaps　 ~60ps Double stack 5gaps ~50ps (左図の青線) 左図：Double stack 3gap(赤）/5gap(青）の時間分解能vs電場 引用　ALICE　TOF　Technical Design Report

7 設計 設計方針 MRPCの汎用化及び小型MRPCの動作性能評価 に最適化し設計 2cm 1mm 10cm 6cm 10cm
ボード 　　ガラスエポキシ Pad 　　　銅箔フィルム　 　　 2*6cm ×3 10cm Double stack 5gaps 電極：カーボンフィルム Outer Glass : 1mm Inner Glass : 550umm Gap 幅 : 250um

8 実験計画 ・印加電圧依存性 10-13[kV/mm] ・入射位置依存性 ・入射角度依存性 0-90[度] ・入射位置依存性 ・入射角依存性
本実験で行った評価 Single stack 4,6,8,10,12gap(5type) Double stack 3,4,5,6,7 *2 gap(5type) Gap 幅 　　235um Gas mixture C2H2F4(R134a) % C4H10(iso-butane) 5% SF % ・印加電圧依存性 　 [kV/mm] ・入射位置依存性 ・入射角度依存性 　　　　0-90[度] ・入射位置依存性 ・入射角依存性 回転軸

9 誘起電荷分布 上段：MRPCの電荷分布(10倍AMP後) 下段：MRPCのTOFvs電荷相関 E=9.9[kV/mm] A=0°
ADC[ch] ADC[ch] ADC[ch] E=9.9[kV/mm] A=0° E=12.8[kV/mm] A=0° E=12.8[kV/mm] A=60° ・MRPCの電荷分布は 　その電場及び角度に応じて増加 ・本実験において、Slewing効果 　は殆ど見られず 　　　　　　　　補正は行っていない ADC[ch] ADC[ch]

10 時間分解能＆検出効率のType 依存性 固有時間分解能 Single stack 6gaps 87ps+-7 @ 12.1kV/mm
Double stack 5gaps 74ps+-6 @ 11.3kV/mm Good Efficiency 12kV/mm~

11 時間分解能と検出効率 Efficiency = MRPC START 40cm TOF = TOF分布(１ch=24ps)
Double stack 5gaps E=12.8kV/mm Resolution of MRPC = Efficiency =

12 入射角度依存性① Double stack 5gap E field 11.3kV/mm ( ) ( ) 60度までは、通過距離に応じて
電荷平均値が推移している 角度に応じ、検出効率がよくなる。 より高い電場での評価も必要

13 入射角度依存性② Double stack 5gap E field 11.3kV/mm 回転軸 ( ) 0-40度まで角度に応じて
分解能の劣化が見られる。

14 MRPCまとめ Single stack 4,6,8gaps Double stack 5gaps
　の時間分解能・検出効率について、　印加電圧依存性・入射角依存性・位置依存性を評価した 　Single 6gap及びDouble 5gapでは12kV/mm以上で 100ps以下の分解能で99%以上の検出効率が得られた 課題 　未だテストをしていないTypeの検出器の評価（宇宙線・ビーム） 　角度依存性についてより高い印加電圧での評価 　もう一方の軸に対しての角度を評価 　精度のよい位置検出器を用いて位置依存性を評価 （TRD？他のDetector?） 14

15 1～100GeV/cの電子とそれより重い荷電粒子の識別にTRは効果的である
相対論的な荷電粒子が誘電率の異なる物質間を通過する際のX線放射 通過前後での荷電粒子の作る電場は不連続となるので、その電場を補うときに放射が発生する 全放射エネルギーはローレンツ因子γに比例する 大きいγでは放射光の干渉が起こるため強度の飽和が起こる 運動量1GeV/c以上の電子によって遷移放射が起こる 運動量 遷移放射強度 TR-photonの効果が顕著 TR強度 ローレンツ因子の違いにより 1～100GeV/cの電子とそれより重い荷電粒子の識別にTRは効果的である 15

16 シグナルの波高とパッドの位置、時間から飛跡を算出する
TRD-prototype radiator部/drift chamber部 Radiator部でTR-photonが発生する。 Drift regionでTR-photonと一次荷電粒子が電離を起こし、電子が発生する。 電子がanodeに向かいドリフトし、anode wireに吸収される。 3のときcathode padsに誘起されたシグナルを検出する。 FADCによる読み出し シグナルの波高とパッドの位置、時間から飛跡を算出する 16 16

17 測定項目 アノード電圧依存性（シグナルの増幅率） ドリフト電圧依存性（シグナルの減衰,ドリフト速度）
ガス依存性（Ar+CO2(85,15),Xe+CO2(85,15)の違い） TR-photonの吸収（absorption lengthの評価） 位置分解能の入射角度依存性 の評価を行った

18 各々の時間binでの波高を、最大の波高を持つpadとその両端のpadの波高の和とする
パッド方向へのシグナルのシェア パッド方向の波高分布より重心を求める。 重心からの距離とそれぞれのパッドの波高の分布を計算した。 シグナルのパッド方向へのシェアは３パッドよりも小さいことがわかる。 各々の時間binでの波高を、最大の波高を持つpadとその両端のpadの波高の和とする 18

19 さまざまなパラメータを取りだすことが可能
シグナル すべてのイベントについてパルスの時間分布の平均を求め、 そのグラフから、各パラメータ（ドリフト時間、増幅領域での波高など）を決定する。 1イベントのパルスの時間分布 Xe+CO2(85,15)ガスの ラディエータあり/なしの平均波高 波高 青：without radiator 赤：with radiator 時間 すべてのイベントにおいて平均をとる TR-photon 増幅領域での波高 平均波高 ドリフト時間 Drift Region Amplification Region 19 さまざまなパラメータを取りだすことが可能 19 時間

20 電子雪崩による増幅率はアノード電圧の指数関数として表すことができる
アノード電圧と増幅率 Arベースのガスによるグラフ Xeベースのガスによるグラフ ドリフト電圧 -2100V アノード電圧 黒：1500V 赤：1450V 緑：1400V 青：1350V 黄：1300V 平均波高 平均波高 時間 時間 アノード電圧vs増幅率 青：Ar+CO2(85,15) 赤：Xe+CO2(85,15) 増幅領域での波高 電子雪崩による増幅率はアノード電圧の指数関数として表すことができる 20 20 アノード電圧

21 ドリフト電圧とドリフト速度 Arベースのガスによるグラフ Xeベースのガスによるグラフ アノード電圧 1500V ドリフト電圧
平均波高 平均波高 時間 時間 電場vsドリフト速度 青：Ar+CO2(85,15) 赤：Xe+CO2(85,15) ドリフト速度 ドリフト速度とドリフト領域での電場との線形性が見える。 Arガス中のほうがXeガス中に比べ、電子のドリフトが約3倍速い 21 21 ドリフト領域の電場

22 電離電子のチェンバー内に滞在する時間に指数関数的に依存する
ドリフト時間と電子のアタッチメント 電子のアタッチメントによる シグナルの減衰 a/bをattachmentの指標とした b a 電離電子がドリフトするとき、ガス中の水素や酸素による吸着が起こり、シグナルが減衰してしまう。 それが、ドリフト時間にどのように影響するのか調べた。 a/b 青：Ar+CO2(85,15) 赤：Xe+CO2(85,15) 電子の滞在時間 水素や酸素によるシグナルの減衰は 電離電子のチェンバー内に滞在する時間に指数関数的に依存する 22

23 ラジエーターの有無による遷移放射(1) TR-photonの吸収量を評価するためにラジエーター無しのグラフがフラットになるように補正を加えた。 Xeベースのガスによるグラフ 補正前 補正後 アノード電圧 1500V ドリフト電圧 -2100V 赤：ラディエータあり 青：ラディエータ無 平均波高 平均波高 時間 時間 Arベースのガスによるグラフ 平均波高 時間 補正前 補正後 23 23

24 吸収長(absoption length)は
ラディエーターの有無による遷移放射(2) ラディエーターありのグラフとなしのグラフの差を取り、横軸をDetectorの厚みに変換した（TR-photonによる波形） 指数関数によるfitのSlopeからそれぞれのガスでのabsorption lengthを計算した TR-photonの吸収 検出器の厚み(mm) 青：Ar+CO2(85,15) 赤：Xe+CO2(85,15) 吸収長(absoption length)は 今回使用したTRDの厚さは30mmなので、TR-photonの吸収はXeでは95%,Arでは28%である。 TRDはより多くのTR-photonを吸収する必要があるのでガスの選択としてはXeのほうが適当である。 24 24

25 飛跡検出器としてのTRDの性能 この点で飛跡を引く この点と飛跡の差のばらつきを見る 位置分解能は入射角度0度で 400μmとなった。
重心計算によって位置を求める パッド番号 パッド番号 時間 時間 この点で飛跡を引く 入射角度20° この点と飛跡の差のばらつきを見る 入射角度 分解能 0° 391.0±10.7μm 10° 604.5±28.4μm 20° 1071±22μm 30° 1614±45μm 位置分解能は入射角度0度で 400μmとなった。 25 25 1pad(=8mm)

26 TRDまとめ まとめ ALICE実験のためのTRD prototypeの性能を調べた
シグナルの増幅率はアノード電圧の指数関数として表すこ とができる。 ドリフト速度は、電場・ガスに依存し、電子のアタッチメントは ドリフト時間に依存する。 TR-photonの吸収長はXeで10mm、Arで89mmであった。 　PIDの要求からガスはXeベースのガスが適当である。 位置分解能は入射角度0度で391μmとなった。 26

27 今後の展望 MRPC 宇宙線テストベンチで実験を行い、ノイズ対策や 動作を確認できていないMRPCについても評価をし
　　宇宙線テストベンチで実験を行い、ノイズ対策や 　　動作を確認できていないMRPCについても評価をし 　　再度テストビームに望みたい TRD 卒業論文として提出及び発表 ガス中の水素や酸素による吸収が大きかったため それを除去したうえでより良い実験を行いたい 外部検出器による位置分解能の測定を行うため、精度のよい位置検出器を用いた再実験を行いたい 27

28 最後に 　川崎先生、幅先生をはじめ 　多くの皆様にお世話になりました。 　　本当にありがとうございました！ 　　　　　　　　　　　　　　　　（筑波グループ一同）