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）

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

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

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 http://utkhii.px.tsukuba.ac.jp/~sakata/FTBL/trigstat.xls

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

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

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

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) 90% C4H10(iso-butane) 5% SF6 5% ・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 回転軸

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]

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~

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 =

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

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。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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)

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

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

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）