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。