MPGD GEM特性　測定結果 2005年10月 4日 内田　智久.

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1 MPGD GEM特性　測定結果 2005年10月 4日 内田　智久

2 Outline テスト環境 GEMの基本特性（P10） P10とArCO2の比較

3 Test chamber Drift plane HV Gas GEM Pre-amp.

4 Test chamber 55Fe (5.9 keV X-ray) Triple GEM detector Drift plane
HV GEM1 Transfer-1 GEM2 Transfer-2 GEM3 Induction Readout pads スペーサーにより間隔を調整

5 システム構成 NIM system CAMAC system RPN220 Divider Disc. Gate Gen.
CCNET GATE BUSY GATE GATE 8 VETO From the pre-amp. 120 μs delay ADC 2249W GATE Delay 100ns 11 Pre-amp.はカレントアンプ 2249Wで波形を積分

6 A sample of spectrum Sigma/Mean≒8.8% ED=0.5kV/cm ΔVGEM=325V
ET=1.6kV/cm EI=3.3kV/cm Number of events Pedestal=104.6 ADC counts

7 Pulse shape GEM foilからの信号 150mV Readout padからの信号 80ns

8 ΔVGEM dependence 3枚のGEM両面間の電圧を変化させて測定 55Fe (5.9 keV X-ray) 10 mm ΔVGEM

9 ΔVGEM ΔVGEMが1V増加するとゲインは約8％増加 104 103 102 ED=0.5kV/cm ET～1.6kV/cm
EI ～ 3.2kV/cm 103 ΔVGEMが1V増加するとゲインは約8％増加 102

10 ED dependence Drift領域の電場を変化させてゲインを測定 55Fe (5.9 keV X-ray) ED 10 mm
GEM1 (ΔVGEM=320V) 4 mm (1.6kV/cm) GEM2 (ΔVGEM=320V) 4 mm (1.6kV/cm) GEM3 (ΔVGEM=320V) 4 mm (3.2kV/cm)

11 ED dependence 最大値で規格化 強電場ではゲインが下がる ΔVGEM=320V ET=1.6kV/cm EI=3.2kV/cm

12 ED dependence Electric field map
Drift電場が弱い場合 Drift電場が強い場合 Drift Drift Drift GEM表面に入る電気力線が増加 Collection efficiencyが低下する Transfer Transfer S.Bachmann, et. al., NIM A 438(1999)

13 ED dependence 最大値で規格化 強電場ではゲインが下がる ΔVGEM=320V ET=1.6kV/cm EI=3.2kV/cm

14 EI dependence Induction領域の電場を変化させてゲインを測定 55Fe (5.9 keV X-ray)
10 mm (0.5kV/cm) GEM1 (ΔVGEM=320V) 4 mm (1.6kV/cm) GEM2 (ΔVGEM=320V) 4 mm (1.6kV/cm) GEM3 (ΔVGEM=320V) 4 mm EI

15 EI dependence 増加が緩やかに 低電場領域で増加 ΔVGEM=320V ED=0.5kV/cm ET=1.6kV/cm

16 EI dependence Electric field map
Induction電場が弱い場合 Induction電場が強い場合 Transfer Transfer Drift GEM表面に戻る電気力線が減少 Extraction efficiencyが飽和する Induction Induction S.Bachmann, et. al., NIM A 438(1999)

17 EI dependence 高電場領域でも増加 Induction領域で ガス増幅が行われる 低電場領域で増加 ΔVGEM=320V
ED=0.5kV/cm ET=1.6kV/cm 高電場領域でも増加 Induction領域で ガス増幅が行われる 低電場領域で増加

18 ET dependence Transfer領域の電場を変化させてゲインを測定 55Fe (5.9 keV X-ray)
10 mm (0.5kV/cm) GEM1 (ΔVGEM=320V) 4 mm ET GEM2 (ΔVGEM=320V) 4 mm ET GEM3 (ΔVGEM=320V) 4 mm (1.6kV/cm)

19 ET dependence 高電場では減少 ΔVGEM=320V ED=0.5kV/cm EI=3.2kV/cm 低電場では増加

20 ET dependence Drift GEM-1 Transfer GEM-2 Transfer GEM-3 Induction
Drift領域とInduction領域双方の特徴を持っているのではないか。 Drift ED dependence GEM-1 Transfer ED dependence×EI dependence GEM-2 Transfer ED dependence×EI dependence GEM-3 Induction EI dependence Readout pads

21 ET dependence ΔVGEM=320V ED=0.5kV/cm EI=3.2kV/cm 良く一致する

22 Induction gapの影響 Induction領域の間隔を変化させ測定 55Fe (5.9 keV X-ray)
10 mm (0.5kV/cm) GEM1 (ΔVGEM=320V) 2 mm (1.6kV/cm) GEM2 (ΔVGEM=320V) 2 mm (1.6kV/cm) GEM3 (ΔVGEM=320V) 1,2,4 mm

23 EI dependence Induction gap=1, 2, 4 mm
104 103 ほぼ電場強度で決まる 102

24 Transfer gapの影響 Transfer領域の間隔を変化させ測定 55Fe (5.9 keV X-ray)
10 mm (0.5kV/cm) GEM1 (ΔVGEM=320V) 1,2,4 mm GEM2 (ΔVGEM=320V) 1,2,4 mm (ΔVGEM=320V) GEM3 2,4 mm(3.2kV/cm)

25 ET dependence Transfer gap=1, 2, 4 mm
104 ほぼ電場強度で決まる 103 ΔVGEM=320V ET=1.6kV/cm EI=3.2kV/cm 102

26 Charge correlation GEM foilからの信号 Readout padからの信号 電荷量の相関はどうなっているのか

27 Charge correlation 両チャージ量に相関がある QFoil (pC) QPad (pC)

28 GEMの基本特性 GEM両面電極間の電圧に Drift領域の電場が上昇すると Induction領域の電場が上昇すると
増幅率が敏感に変化する Drift領域の電場が上昇すると Collection efficiencyが減少 Induction領域の電場が上昇すると Extraction efficiencyが増加 GainはΔVGEM+各領域の電場強度でほぼ決まる Readout pad、GEM foil信号の電荷量に相関

29 ΔVGEM (ArCO2) 104 ArCO2 (70:30) P10 103 102 ED=0.5kV/cm ET～1.6kV/cm
EI ～ 3.2kV/cm ArCO2 (70:30) ED～0.5kV/cm ET～1.8kV/cm EI～3.6kV/cm P10 103 102

30 ED dependence (ArCO2) ΔVGEMが増加したのでEDの大きな方へ移動した ArCO2 (70:30)
ΔVGEM=360V ED=0.5kV/cm EI=3.6kV/cm P10 ΔVGEM=320V ED=0.5kV/cm EI=3.2kV/cm

31 EI dependence (ArCO2) 104 ArCO2 (70:30) P10 ΔVGEM=360V 103 ΔVGEM=320V
ED=0.5kV/cm ET=1.8kV/cm P10 ΔVGEM=320V ED=0.5kV/cm ET=1.6kV/cm 103 102

32 ET dependence (ArCO2) ΔVGEMが増加したのでETの大きな方へ移動した P10 ΔVGEM=320V

33 まとめ 今後さらに詳細な特性を測定し発表する予定 GEMの基本特性を測定 GEM foilから信号読み出し 最適動作条件を求める為
３枚のΔVGEMを独立変化させた時 ２つのETを独立変化させた時、など

34 付録

35 ADC calibration

36 ADC calibration

37 Drift velocity of electrons in P10 gas
μm/ns 40 20 EI=3.2kV/cm Drift velocity ≒ 25μm/ns (at 3.2kV/cm) 1mm: 40ns 2mm: 80ns 4mm: 160ns で信号が立ち上がる

38 Induction gap = 4mm 160ns 31mV EI=3.2kV/cm ED=0.5kV/cm
ΔVGEM=320V ET=1.6kV/cm Mean of ADC counts=217.8

39 Induction gap = 2mm 80ns 85mV EI=3.2kV/cm ED=0.5kV/cm
ΔVGEM=320V ET=1.6kV/cm Mean of ADC counts=266.2

40 Induction gap = 1mm 40ns 130mV EI=3.2kV/cm ED=0.5kV/cm
ΔVGEM=320V ET=1.6kV/cm Mean of ADC counts=276.7

41 Drift velocity of electrons in ArCO2 gas
cm/μs P10 gas 4 2 数kV/cmで飽和 電場の増加により増加

42 EI=0.72kVcm 120 ns 56 ns EI=3.2kV/cm ED=0.5kV/cm ΔVGEM=320V
ET=1.6kV/cm

43 EI=3.6kVcm 48 ns EI=3.2kV/cm ED=0.5kV/cm ΔVGEM=320V ET=1.6kV/cm

44 EI=5.76kV/cm 40 ns EI=3.2kV/cm ED=0.5kV/cm ΔVGEM=320V ET=1.6kV/cm

45 EI=8.64kV/cm 40 ns EI=3.2kV/cm ED=0.5kV/cm ΔVGEM=320V ET=1.6kV/cm