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GEMを使った検出器  高エネルギー研究室  山本 たくや  2006年2月21日(火)晴れ .

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1 GEMを使った検出器  高エネルギー研究室  山本 たくや  2006年2月21日(火)晴れ 

2 Micro Pattern Gas Detector (MPGD)が発達
いんとろ   微細加工技術の進歩によって Micro Pattern Gas Detector (MPGD)が発達   新しいガス検出器への採用 リニアコライダー計画のTime Projection Chamber にMPGDを用いることで位置分解能を向上  レントゲン撮影での医療廃棄物の削減  MeV領域γ線探査でのγ線カメラ → 天文学分野の発展  物質の構造解析や中性子検出器 → 低コストで大型化  - 現在開発途中  

3 研究目的と内容 MPGDを使った検出器の実用化に向けて 検出器の理解、詳細な研究が必要 MPGDを使うことで与える効果とは?
研究目的と内容  MPGDを使った検出器の実用化に向けて  検出器の理解、詳細な研究が必要  MPGDを使うことで与える効果とは?   GEMを使った飛跡検出器を使って  ガス増幅部分などが起こす電荷の広がり、  位置分解能への寄与などを調べる 

4 Gas Electron Multiplier
Copper(5μm)  Polyimide(50μm)  70μm  10cm×10cm  CERNで開発された電子増幅器  (1996 Fabio Sauli)  140μm  渕上ミクロ社製のGEMを用いた  ホールはプラズマエッチングによって  円柱状に作られている 

5 ガス増幅 ΔVGEM=320Vでホール内は約50kV/cm 電子の増幅率は約10~15倍 ΔVGEMを上げ過ぎると放電する
ガス増幅   両電極間に電位差を生じさせ  ホールの高電場によって  電子を雪崩式に増幅させる。  ΔVGEM=320Vでホール内は約50kV/cm  電子の増幅率は約10~15倍  ΔVGEMを上げ過ぎると放電する  GEMを複数枚使って増幅率を稼ぐ 

6 GEMチェンバー概要 - - - 拡散が小さいと位置分解能が向上 電子のドリフト距離ごとに拡散の値を求めていくことで
カソード  イオン対が生成   両極に引き寄せられる(ドリフト)  電場  電子は衝突を繰り返し拡散する  (拡散定数はガスの性質、電場によって異なる)  荷電粒子  - - - 電場を高くすれば拡散定数は小さくなる アノード  トリプルGEM    拡散が小さいと位置分解能が向上 電子のドリフト距離ごとに拡散の値を求めていくことで  増幅部分が寄与する電荷の広がり、位置分解能を調べた 

7 ビームテストセットアップ KEK-PS 東カウンターホールπ2ビームラインにて(2005年6月) ビームはπオン 34cm 21cm 4cm
ビームテストセットアップ   KEK-PS 東カウンターホールπ2ビームラインにて(2005年6月)  トリガーカウンター(高さ5cm 横幅1cm)を前後に2本設置  トリガーカウンター2  チェンバー  トリガーカウンター1  ビームはπオン  ±4GeV  34cm  21cm  4cm 

8 チェンバー内セットアップ 内部はP10ガス(Ar 90% 、CH4 10%の混合ガス)で満たす BEAM × GEMは3枚インストール
チェンバー内セットアップ   内部はP10ガス(Ar 90% 、CH4 10%の混合ガス)で満たす  (カソード)   電場形成用にアルミの板を設置   電場 BEAM ドリフト領域(距離≒23mm 電場≒0.23kV/cm )  × トランスファー領域(GEMとGEMの間の領域)  ( 距離(Lt)≒ mm 電場≒1~4kV/cm ) GEMは3枚インストール  インダクション領域  ( ギャップ ≒ 1.0mm 電場 ≒ 3kV/cm ) GND  (アノード)   合計7箇所に電圧をかけて電場を形成ΔVGEM=320V  トリプルGEMでの増幅率は約2000倍  読み出しパッド

9 読み出しパッドとエレキ 横8枚を1レイヤーとして 6レイヤーを読み出し 6.0mm 0.3mm ① ② 10cm 0.1mm 1.17mm
読み出しパッドとエレキ    読み出しパッドは1.17mm幅のものを使用  6.0mm 0.3mm 10cm 0.1mm 1.17mm 位置分解能の評価  読み出しエレキ  Belle CDCのpreAMP:300mV/pc  postAMP:10倍  ADC(LeCroy 2249W)0.25pC/count  (Analog-to-Digital-Converter)  TDC(Repic RPC-061)0.24nsec/count  (Time-to-Digital-Converter)  横8枚を1レイヤーとして  6レイヤーを読み出し 

10 飛跡の再構成と位置分解能 σresolution≒210μm σ≒238μm
飛跡の再構成と位置分解能  各レイヤーでのヒット点を電荷量を重みとして重心法(C.O.G.)で求めた  対象レイヤーを除く残りのヒット点より最小二乗法でトラッキング  入射位置とヒット点の差分より標準偏差σを位置分解能とする  トラッキングの誤差を考慮して  位置分解能を求める σ≒238μm σresolution≒210μm  入射位置‐ヒット点(mm) Lt=1.5mm  トランスファー電場=2kV/cm 

11 電荷の広がり分布 σcharge≒751μm 横軸:飛跡の入射位置からパッドまでの距離 縦軸:そのパッドが受け取った電荷量の割合
電荷の広がり分布  横軸:飛跡の入射位置からパッドまでの距離  縦軸:そのパッドが受け取った電荷量の割合 電子の拡散はガウス分布に従う  電荷量(割合) σcharge≒751μm ドリフト領域全ての情報を含んでいる  エリア分けをして評価する必要がある  入射位置 - パッド座標(mm)  Lt=1.5mm  トランスファー電場=2kV/cm 

12 電荷の広がりのドリフト距離依存 X CD:拡散定数 577μm/√ (文献値580μm/√ と同じ) cm
電荷の広がりのドリフト距離依存  ドリフト距離に依存する値と ドリフト距離以外が寄与する定数値との足し合わせ  CD:拡散定数   577μm/√ (文献値580μm/√ と同じ) cm (Z=0の時σe=σg) σg:増幅部分と読み出し部分が寄与する    電荷の広がり    485μm  X BEAM Z=0 ドリフト距離 z  Lt=1.5mm  トランスファー電場=2kV/cm 

13 σgのLt・電場依存 X トランスファー電場を高くする ↓ 緩やかに小さくなる 高電場では拡散定数の変化が小 Ltを小さくする ↓
トランスファー電場を高くする  ↓  緩やかに小さくなる  高電場では拡散定数の変化が小  Ltを小さくする  広がりは抑えられた  BEAM X トランスファー領域 それぞれの距離 Lt 

14 位置分解能のドリフト距離依存 21個 σ0 91μm 位置分解能をドリフト距離ごとに求めた Neff:位置分解能に寄与する
位置分解能のドリフト距離依存  位置分解能をドリフト距離ごとに求めた  Neff:位置分解能に寄与する  プライマリーイオンの統計数  21個  σ0 :増幅部分と読み出し部分が   寄与する位置分解能   91μm  Lt=1.5mm  トランスファー電場=2kV/cm 

15 σ0のLt・電場依存  σ0に大きな変化が見られない  電荷の広がりが影響 

16 シミュレーションによる検証 増幅部分、読み出しパッドなどの効果を詳細に調べた 46kV/cm 75kV/cm 使用ソフト
シミュレーションによる検証   増幅部分、読み出しパッドなどの効果を詳細に調べた  使用ソフト Maxwell 3D:複雑なジオメトリーを再現し、有限要素法を用いての電場計算を行う  Garfield:検出器内のガス増幅やドリフトをモンテカルロ法を用いて再現する  46kV/cm 75kV/cm

17 増幅部での電荷の広がり CDA Lt Lt CDA LB CDB 電子の位置情報から 電荷の広がりを求める 各領域の距離と拡散定数を用いて
増幅部での電荷の広がり   CDA  Lt  Lt  CDA  LB  CDB  電子の位置情報から  電荷の広がりを求める  各領域の距離と拡散定数を用いて  電荷の広がりを見積もる 

18 増幅部分の電荷の広がり比較 Ltと電場を変化させて比較 両方の結果に違いが無い 増幅部分での電荷の広がりは 電場とLtで決定
増幅部分の電荷の広がり比較   Ltと電場を変化させて比較  両方の結果に違いが無い  増幅部分での電荷の広がりは   電場とLtで決定  読み出しパッドと  ノイズの効果が影響  信号がない時の電荷のゆらぎ 計算 計算

19 パッドとノイズによる効果  実験で求めたノイズとシグナルの比  パッドのサイズを含めた再現   様々な効果を正しく再現することが出来た 

20 さまり ・GEM検出器での増幅部分等の効果を定量的に求めれた ・実験によって求めた値 増幅部分と読み出し部分による
さまり   ・GEM検出器での増幅部分等の効果を定量的に求めれた   ・実験によって求めた値 増幅部分と読み出し部分による   電荷の広がり:485μm   位置分解能:91μm  Lt=1.5mm  電場=2kV/cm ・拡散定数:577μm/√(文献値と同値)  cm  ・Garfield等を使ってのシミュレーション  - 増幅部分の電荷の広がりはLtと電場で決まる  - パッドやノイズの効果も含め、実験を正しく再現できた    ・検出器に起こる様々な効果をシミュレーションによって  再現し、見積もる事が可能である。 ・増幅部分の電荷の広がりを抑えるにはLtを短くする   2枚以下のGEMで増幅させれば良い  →ポリイミドを厚くしたHIGH GAIN GEMも開発中 

21 おしまい 


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