LHC-ATLAS実験アップグレードに向けた Micromegas検出器の中性子ビームを用いた動作試験

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1 LHC-ATLAS実験アップグレードに向けた Micromegas検出器の中性子ビームを用いた動作試験
東大理，東大素セA，神戸大理B 山﨑友寛，川本辰男A，片岡洋介A，増渕達也A，齋藤智之，寺尾伸吾，山谷昌大，越智敦彦B，山崎祐司B，竹本強志B，山根史弥B，山内悟B 日本物理学会2014年秋季大会 2014年9月19日　佐賀大学本庄キャンパス 19aSH-8

2 LHC-ATLAS Upgrade LHC ATLAS RUN I RUN II RUN III RUN IV
√s = 7-8 TeV L = 0.7 ×1034 cm-2s-1 phase 0 upgrade IBL, FTK RUN II √s = TeV L = 1 ×1034 cm-2s-1 New Small Wheel LAr upgrade phase 1 upgrade RUN III √s = 14 TeV L = 2-3 ×1034 cm-2s-1 phase 2 upgrade New Inner Trakker RUN IV √s = 14 TeV L = 5 ×1034 cm-2s-1 RUN III　ではLHCの設計ルミノシティを超える →　High Luminosity に 強い検出器 が必要 ! 2014/09/19 日本物理学会2014年秋季大会

3 New Small Wheel (NSW) ○ トリガーでの問題 NSWの情報もトリガーに使い，fakeを除去
Small Wheel (SW) 　設計ルミノシティ 1×1034 cm-2s-1が限界 現在 アップグレード (新しい検出器） NSW 高Hit rateに耐え，パイルアップに強い 2018〜 SW / NSW (エンドキャップミューオン検出器) ○ トリガーでの問題 ルミノシティ増加 →　fakeのヒットがトリガーレートを圧迫 Low pT の信号事象がトリガーできない ! 例：　WH → μνbb 過程　pT　(μ) NSWの情報もトリガーに使い，fakeを除去 →pT 閾値 〜20GeV (L1) の保持が可能 pT (μ from W) [GeV] 2014/09/19 日本物理学会2014年秋季大会

4 NSW Micromegas と sTGC の2種類の検出器で構成
Micromegas ・・・ Primary tracking detector sTGC 　・・・Primary trigger detector 層 ATLASの中性子バックグラウンド 高輝度環境での安定動作が重要 L = 1 ×1034 cm-2s-1　(Simulation) L = 7×1034 cm-2s-1 15kHz/cm2 kHz / cm2 中性子フラックス 　　　　O(100) kHz/cm2 SW 2014/09/19 日本物理学会2014年秋季大会

5 Micromegas 特徴 Micro-mesh gaseous structure 試作器 (10 cm × 10 cm)
Ar 93 % + CO2 7% Strip pitch 400 μm Gain O( 104 ) Drift velocity 5cm/μsec -300 V 500 V GND 5 mm 128 μm ドリフト領域 増幅領域 試作器　(10 cm × 10 cm) 特徴 ✓増幅領域が狭い 　　→ イオンの回収が速く （100nsec)， 　　高いヒットレートに対応できる ✓ resistive strip を導入 　　→　放電に強い 2014/09/19 日本物理学会2014年秋季大会

6 J-Chambers 日本グループで製作したMicromegas 試作器 日本グループは高抵抗薄膜の製造を担当
J1 J2 J3 J4 J5 J6 J7 J8 製作時期 2013.6 2014.5 製作方法 Screen Print Sputtering Mesh Fix Removable Resistive Pitch 400 μm 200 μm 増幅領域 100 μm 128 μm 日本グループは高抵抗薄膜の製造を担当 構造・製造方法の決定のため，ビームテストを実施 ・ 荷電粒子ビームを用いた性能評価　　　・・・　次の講演 19aSH-9 ・ 中性子バックグラウンドの影響評価　　 ・・・　本講演 2014/09/19 日本物理学会2014年秋季大会

7 中性子ビームテスト ATLASの中性子バックグラウンドによる放電が懸念される 高速中性子を用いたビームテスト テスト項目
2014年7月，1月， 2013年6月 @神戸大学海事科学部 高速中性子を用いたビームテスト テスト項目 目的 加速器，ビーム，ターゲット イオン源 タンデム加速器 ターゲット (9Be) Micromegas 中性子環境下における ✓Micromegasの放電耐性　　　 　　　放電率，放電時間 ✓Cosmic Test 　　　Efficiency , 位置分解能 中性子のエネルギー : 　 〜5MeV (Max 7.4 MeV) 9Be + d (3MeV) → 10B + n 2014/09/19 日本物理学会2014年秋季大会

8 中性子フラックス Chamberでの中性子フラックス測定 液シンdata 中性子ヒットレート@液シン 中性子フラックス @ Chamber
ターゲット Chamber 液体シンチレータ 7.5 cm 60 cm Chamberでの中性子フラックス測定 液シンdata PSD Geant4 角度分布，液シンefficiency ターゲットからは中性子とγ線が放出 Chamber ATLASの中性子フラックス：　O(100) kHz /cm2 ビームテストでの中性子フラックス　: 30 – 300 kHz /cm2 ATLAS環境に匹敵するフラックスが得られた ! 2014/09/19 日本物理学会2014年秋季大会

9 放電率測定 セットアップ ターゲットから7.5cm の距離にChamberを設置 取得したデータ 液体シンチレータ
Front end card (APV25) HV ( Anode ,Cathode) Micromegas 液体シンチレータ deuteron beam 取得したデータ Current Monitor Anode HV のcurrent →　CAMAC Micromegasの信号 →APV → SRS 液シン → CAMAC ・ビーム強度 ・Chamber ・Anode HV (460V 〜 550 V) 変化させたパラメータは３つ 10分ずつ測定 2014/09/19 日本物理学会2014年秋季大会

10 放電 Current Monitor 放電継続時間 安定した動作が可能！ 放電がどれぐらいおきたのか？ 増幅領域のCurrentをチェック
　　← Anode HVのCurrent Monitor Threshold Base Line 用いた放電の定義 1秒あたりにThresholdを超えた回数 Threshold = Base Line + 0.6μA 放電継続時間 放電時間：Thresholdを超えていた時間 放電時間は 〜100 msec 連続放電でも数秒程度 安定した動作が可能！ 2014/09/19 日本物理学会2014年秋季大会

11 放電率 異なるChamberで比較 異なるフラックスで比較 放電率 < 0.1 Hz @ 100 kHz/cm2
点をまとめる Gain 3 〜5 ×104 でEfficiency 〜100 % J3, J4の構造は同じだが放電率が異なる Chamberの内部状態の影響が大きい （メッシュ，ストリップの状態，ゴミ） 放電率 < 0.1 Hz @ 100 kHz/cm2 放電時間 0.1sec →　Efficiency > 99% 2014/09/19 日本物理学会2014年秋季大会

12 中性子環境下でのCosmic test シンチレータ Beam Target シンチレータ ×2 ◆中性子の存在下で
　 Micromegasのパフォーマンスを調べる シンチレータ Micromegas (MM) 試作器　8台 表・裏交互に配置 中央に中性子源のターゲット シンチレータ3枚のコインシデンスでトリガー Beam MM Target ビーム強度を変化させ ( 15時間 ずつ） ✓ Efficiency ✓ Position Resolution の変化をみる MM シンチレータ ×2 2014/09/19 日本物理学会2014年秋季大会

13 中性子の影響 Currentの上昇 チャージアップによる Gain の減少 まだです。すみません。 beam on で
beam on/offで チャージの比較 これらがパフォーマンス(Efficiency ,位置分解能）に影響するのかを調べた 2014/09/19 日本物理学会2014年秋季大会

14 Efficiency, 位置分解能 の変化 Efficiency Position Resolution
Preliminary もっとよくなる Preliminary J3使わないと悪くなる 　〜　150μm 中性子フラックス XX kHz/cm2でも， Efficiency XX% を維持 →　ATLASでも問題ない 中性子バックグラウンドによる 変化は見られない 2014/09/19 日本物理学会2014年秋季大会

15 まとめと展望 まとめ 今後の展望 中性子ビームを用いてMicromegasのパフォーマンスを評価 ATLAS環境でも問題なし！
− 放電率 < kHz/cm2 , 放電時間 〜100 msec − Efficiency ・・・・ − 位置分解能 ・・・ 変化は見られない ATLAS環境でも問題なし！ 今後の展望 ● 今回の中性子は数MeV →　異なるエネルギーでパフォーマンスの確認 ●中性子以外のバックグラウンド の影響の評価 ● Aging test による耐久性の評価 2014/09/19 日本物理学会2014年秋季大会

16 BACK UP 2014/09/19 日本物理学会2014年秋季大会

17 Slow 0.3 μA Total ここの時間 threshold 0.6 μA Neutron Gamma 2014/09/19
日本物理学会2014年秋季大会

18 波形弁別 (PSD) Neutron Gamma 2014/09/19 日本物理学会2014年秋季大会

19 LHC-ATLAS LHC 全長 約27km ▶ LHC加速器 ▶ ATLAS実験 p-p衝突型加速器 重心系エネルギー8TeVで稼働
現在シャットダウン中 ▶ 　ATLAS実験 ・2012年にヒッグス粒子を発見　 ATLAS LHC 全長 約27km ATLAS検出器 2014/09/19 日本物理学会2014年秋季大会

20 Cosmic Test - Efficiency
J4のefficiency をみる。 ・自分とJ3（eff〜0.3）以外にすべてhit ・( J5,J6で引いたトラックとJ8とのresidual ) <0.15 の要求を満たしたものをCosmicとする(分母）。 J4にヒットがあったかどうかの判定(分子）は， ( J5,J6で引いたトラックとJ4とのresidual ) < 3 TC 200nA Track (J5,J6) と J8のresidual [mm] これで出したEfficiencyが次のページ。 ただし，これだとCosmicだと思っているものに，backgroundも入ってしまうので悪くなる↑。 J3を使うと統計がきつい。 Backgroundを見積もれば，もっとよくなるはず。

21 217/218 162/164 91/96

22 Cosmic Test - Resolution
J5 のresidualをJ3,J8のトラックを使ってみる J6もそのトラックから1.4 mm以内にあることを要求して，cosmicを選ぶ no beam TC 100nA TC 200 nA σ　〜　110μm J3はおそらくカソードにHVがかかっていないため，efficiencyが悪いが， J3を使うと位置分解能は良くなる。他の組み合わせでも。 カソードにHVがかかっていない -> 128μmの領域でしか反応しない -> 電子の広がりが小さい -> 位置分解能がよくなる　　?? J3は使わないほうがよいのでしょうか？その場合おそらく150μm〜200μm ぐらい