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
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
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
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
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
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 ﾄﾘﾌﾟﾙ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
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
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）≒1.5 1.0mm 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
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 ① ② 10ｃｍ 0.1mm 1.17mm ③ ④ 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） ⑤ ⑥ 横8枚を１レイヤーとして ６レイヤーを読み出し
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
おしまい