MUMON beam test report H. Kubo

MUMON group conducted a beam test with a 100 MeV electron LINAC at Kyoto Univ. (13-17 Jul. 2009) measured items linearity of Ar(+N2) gas ionization chambers at a few 100 kW region when to shift to He gas ? pressure dependence of ionization chambers is it really a linear dependence? test of various detectors alternatives to Si PIN diodes radiation damage of Si PIN diodes Si / IC ratio study

IC linearity linear within 5% upto 600pC/pulse 1.3 atm 30 ℃ 600pC reference CT [pC] reference CT [pC] linear within 5% upto 600pC/pulse corr. 200 kW beam (30GeV, 6bunches, 3.5s, full-horn) FADC underflow occurs at about 700pC/pulse anyway, we have to change the gas to He before the beam power reaches 200kW

IC pressure dependence 140kPa 130kPa 120kPa 110kPa atmos. after horizontal scaling coefficient / pressure almost linear to the pressure 1.5% difference I guess it comes from the variation of the drift velocity (higher pressure  slower drift  increases recombination) 1.5% drop

radiation damage test Si 1 : reference CTs Si 1 : reference Si 2,3,4 : high intensity beam irradiated (~ 109 electrons / pulse / cm2) compare Si2,3 and 4 with Si1 at “low” intensity (~ 107 electrons / pulse / cm2, corr. T2K full beam)

radiation damage test irradiated 2.1 x 1014 electrons/cm2 in total damage factor for muons and electrons are almost same 2 x 1014 electrons ≒ 2 x 1014 muons ≧ 50days@600kW type inversion (pn) will occur at 2 x 1012 1MeV-neutron/cm2 ≒ 3 x 1013 electrons/cm2 estimated “lifetime” of Si detectors

radiation damage test T2K 600kW 50days after 1x1013e after 2.1x1014 e estimated “lifetime” over 90% of the signal remains after 2x1014　e- irradiation linearity getting worse, but still usable we can use them by the end of 1st stage of T2K ?? replacement in every shutdown is necessary

Si / IC ratio final goal = data : MC comparison data from Si and IC : charge MC (and emulsion) : flux (or #of muons) charge  # of muons we have to understand absolute scale of the detectors current estimation & discrepancy 27,000 pairs / MIP for Si 26.3eV / pair(20℃,1atm) and 50% collection efficiency for IC commissioning data 　latest MC > Si > IC > emulsion we should start from this data : data comparison x 1.5 x 1.3

Si / IC ratio Si / IC ratio ~ 25 is estimated IC (Ar, 1.3atm, 34℃) Si 1MIP 17.9 e 27000 e 1MIP/cm2 1005 e 26.9 3GeV muon/cm2 1309 e 32400 e 24.8 100MeV electron 24.8 e 31200 e 100MeV electron/cm2 1395 e 22.4 Si / IC ratio ~ 25 is estimated

commissioning data limited precision due to small signal size Si / IC = 31 ～ 35 : depends on pedestal estimation method ⇔　calculated value for 3GeV muon : Si / IC = 24.8

result from beam test June 2007 beam size (1σ) ~ 6mm 15mm spacing for beam size & position monitor June 2007 data (atmosphere pressure) compared IC with fit result of Si array IC / Si = 0.0058  Si / IC = 1724 Si / IC (flat beam, 1.3atm) = 1724 / 1.3 / 56.25 = 23.6 difficulties : different detector size and small beam size was the beam profile measured well ? channel spacing of Si array was too large

setup Murakami-kun’s new profile monitor 7.5 mm spacing 1. beam size measurement 　　(calculate percentage of beam contained in 1cm2) Si detector size 2. set Si to the beam center 3. take IC/Si ratio

beam size measurement beam size :σx = 4.14 mm σy = 3.63 mm center 1cm2　: ~ 64.2 % = acceptance of the Si detector 1mm miss-alignment for X and Y 61% Δy Δx

trial 1 (run75) run Δx Δy acc.(%) Si / IC (meas.) Si / IC (calc.) 72,75 64.2 1286 normalized here 67 -1 63.1 1264 68 +1 1250 69 -3 54.7 1098 1096 71 3 1039 73 2 59.4 1193 1190 74 -2 1219 Si detector seems to be aligned within 1mm Si / IC (flat) = 1286 / 0.642 / 56.25 = 35.6

trial 2 (another day) Si / IC (flat)= 1076 / 0.704 / 56.25 = 27.0 run Δx Δy acc.(%) Si / IC (meas.) Si / IC (calc.) 174 70.4 1076 normalized here 170 1 69.2 972 1058 171 3 58.0 884 886 172 -1 1008 173 -3 877 175 2 66.0 998 1009 176 -2 1012 178 5 37.6 652 575 179 -5 547 Si / IC (flat)= 1076 / 0.704 / 56.25 = 27.0

Si/IC ratio summary ratio (Si / IC) 3GeV muon calc. 24.8 100MeV electron 22.4 commissioning beam data 31 ~ 35 beam test 2007年6月 23.6 beam test run 75 35.6 beam test run 174 27.0 Si/IC ratio wasn’t reproduced between 2 trials in this beamtest still there is a problem on beam size correction ? another approach : CT calibration  IC/CT ratio  absolute scale of IC

things to be examined T2K beam electron beam for both energy/particle dependence of deposit energy δ-ray acceptance difference against dump muons electron beam beam profile effective detector size OK (July 2006 beamtest) γ (radiative loss) for both stability OK(T968)

Summary we conducted a beam test and measured IC(Ar gas) linearity at a few 100kW region  linear upto 200kW level, and underflow of FADC 　will occur at the same time  change to He gas pressure dependence of IC linear as expected radiation tolerance of Si PIN photodiodes  alive after 2x1014 e/cm2 irradiation  we can use them for a half year(50days) at full intensity signal size ratio of Si and IC  failed...

backup (in Japanese)

drift time 大気圧と140kPa 付近のRUN から、それぞれ charge ~ 500 pC のevent を探してきてplotした。 1~2 bin (20~40ns) 程度ではあるが、確かに遅くなっている。

大強度照射時の信号量 ビーム強度自体は上がっているはずが、Si の信号量は下がっている。 tail が短くなっている。 黒 : 前半 赤 : 後半 ビーム強度自体は上がっているはずが、Si の信号量は下がっている。 tail が短くなっている。

暗電流 ビームを止めている間に HV module で表示される電流値を確認してみたところ 照射したサンプルのみ、増加していた。 Si 1 (照射していない): 9μA (主に水銀灯の光?) Si 2 : 48μA Si 3 : 40μA Si 4 : 36μA

IC の電荷収集量予測 これが基本 信号電極サイズ : 75mm x 75mm = 56.25 cm2 電極間距離 : 3mm MIP 損失(標準状態) : 2525 eV / cm Ar 平均電離エネルギー(W値) : 26.3eV/pair 電荷収集効率 : 50% (電子による高速読み出しの場合) よって 、1.3気圧 34℃の3mm gap では 2525 / 26.3 x 0.3 x 1.3 x 293 / 307 = 35.7 1MIP あたり 35.7 個のペアが生成, 17.9 個収集される。 これが基本

Si の電荷収集量予測 これが基本 検出器サイズ : 10mm x 10mm = 1 cm2 空乏層厚み : 0.3 mm MIP 損失(標準状態) : 3.876 MeV / cm 平均電離エネルギー : 3.6 eV/pair 電荷収集効率 : ~ 100% ? 0.3 mm で単純計算すると、1MIP で 32,300 ペア生成 文献によると 27,000 ペア 27000 ペアとすると、松岡さんのレーザーによる測定と一致 よって 27000 pair / MIP (収集効率込み)を信じている これが基本

stopping power 先ほどのMIP に対する収集電荷量に、 stopping power の比を掛けて最終的な予測値とする。 Ar gas Si total ion rad MIP muon 1.52 0.00 1.67 1.66 3GeV muon 1.99 1.98 2.00 100MeV e 6.72 2.11 4.61 6.02 1.92 4.10 PDGおよびNIST のdatabase より 先ほどのMIP に対する収集電荷量に、 　stopping power の比を掛けて最終的な予測値とする。 100 MeV 電子ではradiative loss が大きいが 　それぞれ厚みが小さいためあまり効いていないと 　仮定している (要再確認)

平均の3GeV より下のenergy になると Si に対するstopping power の方が大きくなる傾向 　Ar 平均の3GeV より下のenergy になると Si に対するstopping power の方が大きくなる傾向 実際のenergy spectrum にこれを掛けて出すべき(宿題) 影響があるとして、max 10% 程度か

linearity (Run181) 線型性が出るべきビーム強度領域なのに、 何故かSi の線形性が出ていない 高抵抗のLPF を間違えて接続してしまった可能性が高い ・・が低強度では信頼できるはず

もう一回できるなら 数点 sampling して、Gaussian を仮定してprofile を出すという手法に限界がある? ぴったり検出器サイズ (1cm )ずつ動かして 測定することで beam profile ではなく 「中心の 1cm2 に入る電子の割合」を正確に出す