CsI光電面と GEMを用いたガスチェレンコフ検出器 小沢 恭一郎 (東大・理) 荒巻陽紀、浜垣秀樹、織田勧、 森野雄平、山口頼人、佐野哲 (東大CNS) 2006/1/27 MPGD@Saga, K. Ozawa
Contents Gas Cherenkov Detector with CsI GEM Measurement of Quantum Efficiency Beam test at REFER at Hiroshima Univ. Summary 2006/1/27 MPGD@Saga, K. Ozawa
検出器のアイデア 鏡なしのチェレンコフ検出器 全体で一つのガスベッセル CSI光電面 3層のGEMを使用 Radiatorと光検出が同じガス Ar-C2H6 (γｔｈ ~ ２５) 電子 Radiator ガス チェレンコフ光 ハドロン CSI光電面 UV sensitive (6 eV, 200nm) １４ p.e. for 75cm radiator 光電子増幅部でのハドロンのEnergy lossによりハドロンに対しても信号を出す可能性 CSI 光検出部 ガス 光電子 3層のGEMを使用 1層の増幅率は低くハドロンからの2次電子は、十分に増幅されない。 GEM3層 増幅 2次電子 開発要素： GEM、CSIカソード、ガス パッド 2006/1/27 MPGD@Saga, K. Ozawa
特徴 紫外域に感度を持つ光検出器 読み出しにStripやPadを用いることで位置情報も得られる PHENIX実験では、Window lessのCherenkov検出器の光検出部分として用いられる。 具体的には、 GEM３-５層を増幅部に使用 １層あたりの増幅率は低く安定な動作 GEM上面にCsIを蒸着 Radiator ガスと増幅用のガスにCF4を用いた場合、75ｃｍのRadiatorの長さで約58個のp.e. References 1. NIM A523, 345, 2004 2. NIM A546, 466, 2005 2006/1/27 MPGD@Saga, K. Ozawa
CSIを用いた光電面 3種類の光電子収集の方法 Transmissiveを選択 比較的高い量子効率 少ないphoton feedback By Weitzman Transmissiveを選択 比較的高い量子効率 少ないphoton feedback 一番上のGEMにCSIを蒸着して実現 ５ １０ １５ [eV] CSIの量子効率 2006/1/27 MPGD@Saga, K. Ozawa
CsIの蒸着 CSIのGEMへの蒸着 (浜松に依頼) GEMにニッケルと金をメッキし、CsIを蒸着 基本的な手順： 真空度: a few x 10-7 Torr GEMをマスクしCsIを事前に少し飛ばす ボートやCsI表面の不純物の除去のため （高純度のCsIを使用しているが） GEMを少しあたためる 不純物や水分の除去のため Quartz で厚さをモニター ５％程度 ２０００A の厚さで蒸着 CsI Au Ni Cu Kapton 2006/1/27 MPGD@Saga, K. Ozawa
Measurement of Q. E. CSI動作確認 量子効率測定 PMT UVランプを使ったチェック 右の装置で測定 GEM検出器 重水素ランプ 115 ～ 400 nm GEM検出器 MgF2 PMT 回折格子 真空紫外分光器 50 ～ 300 nm 分解能 0.2nm CSI動作確認 UVランプを使ったチェック 量子効率測定 右の装置で測定 CSI GEMのHandlingのSchemeを確立させる 2006/1/27 MPGD@Saga, K. Ozawa
GEM detector 分光器 2006/1/27 MPGD@Saga, K. Ozawa
Results 2006/1/27 MPGD@Saga, K. Ozawa
Comparison We got a consistent result. Based on this measurements, the number of photo-electron with 84 cm long radiator is estimated as 65. 2006/1/27 MPGD@Saga, K. Ozawa
Beam Rest @ Hiroshima REFER @ Hiroshima Univ. Injector of Synchrotron radiation Facility 150 MeV/c electron beam Beam is colimated to be 100 Hz 2006/1/27 MPGD@Saga, K. Ozawa
CsI and GEM part Operation Blind ON, ED>0 Blind ON, ED<0 Pure CF4 (cosθc=0.035) CsI GEM 150V Other GEM 490V (~104) Water ~ 1ppm 1*1cm Readout Pad 5*5個使用 Blind Blind ON, ED>0 dE/dx (2mm+1mm) Blind ON, ED<0 dE/dx (1mm) Blind OFF, ED<0 Light + dE/dx (1mm) Electrons from ionization 2006/1/27 MPGD@Saga, K. Ozawa
In reality 2006/1/27 MPGD@Saga, K. Ozawa
In reality (Run condition) Blind plate is placed at 20 cm from CsI surface. Even with “blind on”, 15 p.e. produce by Cherenkov light could be expected. Blind Electron source Expected electron ED > 0 ON dE/dx (1+2mm) + Light 16+32+15 ED < 0 dE/dx (1mm) + 16+15 OFF Large Light 16+65 2006/1/27 MPGD@Saga, K. Ozawa
Problem #2 Large common mode noise Accelerator and power suppliers of magnets are in the same room. 2006/1/27 MPGD@Saga, K. Ozawa
Blind ON (No photon) To see electrons from energy loss Center one pad 16 electrons per 1 mm is expected. 10 fc 7 fc ED > 0 ED < 0 Produced charge is reduced. But still it’s remaining. It may be electrons produced btw CsI GEM and 2nd GEM. 2006/1/27 MPGD@Saga, K. Ozawa
Blind Off (ED < 0) 2006/1/27 MPGD@Saga, K. Ozawa Blue: Off, Red: ON
Charge sum of all pads We see the difference! 10 fc We see the difference! It may caused by the LIGHT. 2006/1/27 MPGD@Saga, K. Ozawa
Charge sum for Blind on Blind On, ED < 0 (Same data as single pad) Charge sum of all pads 7 fc Noise effect is small. 2006/1/27 MPGD@Saga, K. Ozawa
Summary of measurements Blind Electron source Expected electron ED > 0 ON dE/dx (1+2mm) + Light 16+32+15 10 fC ED < 0 dE/dx (1mm) + 16+15 7 fC OFF Large Light 16+65 Two “blind on” measurements is inconsistent. ED>0 should have two times larger charge than ED<0. If transportation efficiency through CsI GEM is very low, Efficiency should be 27 % to explain the discrepancy. It may explain small yield of Cherenkov light Other possible reason for small number of photo-electrons Low Q.E. at small wave length Low transmission 2006/1/27 MPGD@Saga, K. Ozawa
Summary Gas Cherenkov counter using CsI coated GEM is developed at CNS. Measurements of Quantum Efficiency is done and it’s consistent with previous results. Beam test is done at Hiroshima Univ. Results show the small signature of Cherenkov light. 2006/1/27 MPGD@Saga, K. Ozawa
Pictures from PHENIX In PHENIX IR 蒸着装置と グローブボックス signal electron partner positron needed for rejection In PHENIX IR 蒸着装置と グローブボックス 2006/1/27 MPGD@Saga, K. Ozawa
Back up 2006/1/27 MPGD@Saga, K. Ozawa
Gas Cherenkov counter CsI Mesh: 入射粒子 VME ADC HVmesh HVgain (～－2000V) wireφ= 50μm Pitch=500μm CsI ガス：ＣＦ４ Radiator: 75 cm 入射粒子 3mm 2mm 2mm 2mm VME ADC １MΩ HVmesh HVgain (～－2000V) 2006/1/27 MPGD@Saga, K. Ozawa
GEM gain 2006/1/27 MPGD@Saga, K. Ozawa
メモ Gas N0 E cutoff Γth index CF4 940 11.5 28 1.000620 CH4 185 8.5 34 1.000444 Ar 255 9 42 1.000283 C2H6 170 7.8 22 1.001038 Ar-C2H6 200? ? 25 1.000811 Pion: 198.9 17.3electronに当る Electronは、1.38倍 198.9*1.38 = 274.5 (23.9) Electron(measured): 284.1 (24.7) 差は、チェレンコフ分で、1 p.e.くらい 光量 ∝ N0 / γｔｈ^2 * L Weitzman HBD 40 p.e. L = 50 cm CNS 14 p.e. 2006/1/27 MPGD@Saga, K. Ozawa