GEMを使ったTPCの開発 新井聡,池松克昌,宇野彰二,加藤幸弘,木島智広, 黒岩洋敏,小林誠,佐貫智行,杉山晃,高橋徹,土井昌宏,中村圭一,仁藤修,藤井恵介,松田武,宮崎敦宏, 山口敦史,山口満弘、山村大樹、渡部隆史,マーカス、ロン,ジュン、ローズ 佐賀大、KEK、筑波大、農工大、工学院、東大、近畿大、 広島大、ミンダナオ、DESY、MPI GLC-CDC group 登壇者 坂元 宣友 (佐賀大学)
Introduction ILCの大型測定器では、飛跡検出器としてTPCを検討している。 TPCサイズ: 外径 ~2m 長さ 4m超 長さ 4m超 必要な位置分解能 150μm(rφ方向) センサー部分はMPGD(Micro Pattern Gas Detector)を検討 MPGDの利点(MWPCとの比較) ・ チャージの広がりが少ない ・ E×Bの効果が少ない 既存の方法であるMWPCでの究極の性能の試験はプロトタイプのチェンバー(MPI)でおこなわれた。(前のセッションで報告ずみ) 同じ条件でセンサー部分をMPGDへ交換し、比較試験をおこなう。
Beam test setup ビ-ム KEKのπ2ビームラインにて実験 チェンバーのすぐ後ろにトリガーカウンターを設置 KEKのπ2ビームラインにて実験 チェンバーのすぐ後ろにトリガーカウンターを設置 磁場がないときのみの測定 ガスはP-10を使用 (MWPC/TPCテストのビーム下流にチェンバーをセットしてデータ収集) チェンバー設置点 チェンバー設置 ビ-ム ビームライン 使用したチェンバー
GEMとは 拡大概略図 10x10cm2 (cern GEM) 円錐形の穴はケミカルエッチングによるもの。 両端の電極間に電位差を与えることにより、穴の中に高電場をつくり、ガス増幅を起こさせている。
チェンバー内セットアップ GEM 間の電場は約 2kV/cm GEM1と読み出しパッド間の電場 は、約 3kV/cm 天板 23.5mm 10 or 30 or 50 MΩ GEM GND GEM間の距離 GEM 間の電場は約 2kV/cm GEM1と読み出しパッド間の電場 は、約 3kV/cm ドリフト領域 GEMは1枚ごとに独立に電圧を制御す ることが可能 GEMの両電極間の電位差をVGEM HV HV VGEM
読み出しパッド 10cm beam 6mm 2mm 0.3mm 全16レイヤー中、6レイヤー 読み出し。 エレキの関係上 MPI/TPCで使用しているパッドと同じ 10cm この方向の列をレイヤーとする beam 全16レイヤー中、6レイヤー 読み出し。 エレキの関係上 各レイヤー、中心の4パッドのみ読み出し で囲った部分。 読み出しエレキ BelleCDCのpreAMP:300mV/pc postAMP:10倍
トリプルGEMの動作確認 Gain vs. HV X線(55Fe 5.9keV)を使用して動作確認 立ち上がり時間:~20nsec 280 10000 1000 100 280 300 340 320 360 Gain vs. HV AMPのサチュレー ションのため 100nsec 55Fe 5.9keV X線のシグナル VGEM (V)
( ) ヒットポジションの決め方 C.O.G.= ΣADC i・Y i ΣADC i ADC i : 各パッドのADC 各レイヤーのヒット点の決め方 下記の式で得られる、パッドのADCの重心(C.O.G.)により求める。 C.O.G.= ΣADC i・Y i ΣADC i ADC i : 各パッドのADC Y i : 各パッドの中心位置 ( ) (例) 1つのレイヤーで、下図のようにパッドのADCが測定されたとき、 パッド ADC 1 3 2 1 2 3 4 上記の式から、 C.O.G.= 1×0+2×1+3×3+4×1 0+1+3+1 = 3 となる。 C.O.G. パッド このような感じで、各レイヤーのヒット点を決めた。
tracking tracking Y (x) = ax+b とする。 左図は、1つのレイヤーのC.O.G.分布。 event数 (mm) pad C.O.G. ヒット位置分布 左図は、1つのレイヤーのC.O.G.分布。 滑らかなビームの広がり + パッドの中心に鋭いピーク tracking ヒット位置分布 6レイヤー中5レイヤーのC.O.G.をヒット点として、 最小二乗法で直線フィットした。 (分解能の評価の対象となるレイヤーを除く) 式は Y (x) = ax+b (x軸はビーム軸と同じ) とする。
residual(垂直入射)#1 σ=190μm residual residual Ytrack ビームの軸に平行になるようチェンバーをセット position -> C.O.G.(trackingに使用しなかったレイヤーのもの) residual -> C.O.G.-Ytrack event数 σ=190μm residual パッドの中心座標 residual Ytrack パッドの中心にtrackが偏っているように見える
residual(垂直入射)#2 Ytrack Ytrackを1次元分布でみると、やはりパッドの中心 にtrackが集中している。 beam ヒットがあったら ⇒ こっちもヒット Ytrack パッドの中心付近を通るtrackは、各レイヤーでシングルヒットになり、trackをパッドの中心に寄せてしまう。 垂直入射では系統的な振る舞いにより正確なtrackingはできない!!
residual(斜め入射) σ=240μm residual Ytrack Ytrack residual ビームの軸に少し傾けてチェンバーをセット( ~2°) Ytrackの1次元分布 σ=240μm residual residual パッドの中心座標 Ytrack Ytrack 垂直入射の時のような偏ったtrackはない。 Tracking errorを考慮すると位置分解能は210μm
response fun. ビーム Xtrack チャージの割合 Xpad-Xtrack response fun. ビーム track ADC Xtrack 1 3 2 1 2 3 4 Xpad Xpad-Xtrack 左図より、パッドの中心付近のtrackでは、パッド1つに電子の広がりが収まっていることがわかる。 パッド Xpad Xtrack : 各パッドの中心 : trackingで求めた関数からの値
電子のひろがり 1ヒットの割合:約20% 0 1 2 3 4 電子の広がり分布 広がりは約960μmと想定できる。 960μm threshold:ヒットを定義 するもの 960μm 中心がもっともpulse heightが高くなる 1ヒットの割合:約20% 広がりは約960μmと想定できる。 これより (パッドの大きさ:2mm) σ(μm) Threshold / peak pulse height 約450μm 0 1 2 3 4 2000 1000 (ヒットのあったパッドの枚数) (event数)
TPCへの適用#1 MPI/TPC 最大ドリフト長27cm MPI/TPC MWPC ⇒ トリプルGEMに取り替える
TPCへの適用#2 3000 2000 1000 10 20 30 CD ~500μm/ cm (B=0T) ガス(Ar:CH4:CO2⇔93:5:2) CD ~500μm/ cm (B=0T) ~200μm/ cm (B=1T)beam/cr test ~100μm/ cm (B=3T)ILC √ TPCでの電子の広がり σ=√σ2+CD ・Z 2 0 (σ0:GEMによるひろがり) 電子の分布は複数パッドにまたがってほしい(位置分解能) 1000 2000 3000 10 20 30 B=0T B=1T B=3T ドリフト長(cm) σ(μm) 基準 : FWHM=パッド幅(既存2mm) σ σ ~850μm B=1Tでは2mm幅パッドは厳しい!? 1mm幅パッドの場合では
まとめ 今回の測定ではtrackingの評価は1つのパッドに電荷のひろがり が収まるようなポジションがあり、難しい。 磁場中でのTPCへのinstallは今のままでのパッドのサイズでは 満足のいく評価ができない可能性がある。 パッドのサイズを1mmへ また、レンガ状にしてレゾリュ―ションの向上 パッドの配列をレンガ状にして系統的な振る舞いの抑制 ← 今回はcern製のGEMを使用しての試験だったが、 CNS(東京大学) & 渕上ミクロ株式会社が製作されたGEMについても発展させて試験を行ってく予定である。