J-PARC E15実験における バーテックス検出器(TGEM-TPC) に用いるTGEMの開発

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1 J-PARC E15実験における バーテックス検出器(TGEM-TPC) に用いるTGEMの開発
佐久間　史典（理研） 大西　宏明(理研) 岩崎　雅彦（理研）　 J-PARC E15実験の概要 バーテックス検出器の必要性 TPCのデザイン TGEMについて TGEMの実験状況 まとめ・これから

2 J-PARC E15実験 ・K中間子原子核で最も簡単な構造を持つ、K-pp束縛状態を探索する
・Missing massとInvariant massを同時に測定する K- 3He Formation Decay K-pp cluster neutron L p p- Mode to decay charged particles Missing mass Spectroscopy via neutron Invariant mass reconstruction 1GeV/c K- beam Cylindrical Detector System Beam Sweeping Magnet flight length = 15m p p- n E15実験detector setup Neutron ToF Wall いらないかも？

3 バーテックス検出器の必要性 Z方向バーテックス検出器(ZVC)が必要 よって S粒子を識別することが重要である しかし sz[mm] そこで
K-pの束縛状態であると考えられるL(1405) はS粒子とp中間子に崩壊するため、 K-pp束縛状態もS粒子とp中間子と陽子 に崩壊すると考えるのが自然である。 S粒子を識別することが重要である よって 設計当初のCDSでは S±→p±+nを同定するにはビーム方向（z方向）に対する位置分解能が不足していた。 しかし Z方向バーテックス検出器(ZVC)が必要 L→pp-崩壊に対するビーム方向位置分解能 14 12 10 8 6 4 2 ZVC z-resolution[mm] sz[mm] そこで ・ビーム方向に１mm以内の位置分解能 ・低物質量(CDSの内部に設置されるため)

4 CDS : Cylindrical Detector System
TPCのデザイン CDS : Cylindrical Detector System ~500mm drift length ~300mm f280mm f170mm TGEM TPC Field cage Thick-GEM R/O前の増幅器として用いる イオンフィードバックを抑制する可能性がある field strip FPC基盤 8mm strip 10mm pitch double sided R/O pad pad size 4mm×20mm なぜTPCか？それ以外ではZがでないから(条件に合わない) 既にfoil-GEMを使った検出器はある。しかし、foil-GEMは放電によりすぐに使えなくなるし、お金がかかる TPCは一度入れると取り出せない→長期的な安定性が要求される。よってTGEM なぜ9角形か？一つGEMはだいたい10×10で作るのが良いとされている。Padの1/3くらいがちょうどその大きさである。 for preamp pad数 4×4×9=144 表面　　 裏面

5 TGEMについて Thick-GEM、TGEM、THGEM ・しかしながら、TGEMの基本性能は
・ロバスト(強靱)、シンプルな製造工程、1枚あたりのゲインが高い ・double-clad G10(FR4)基盤を材料に、通常のPCB技術を用いて安く作ることが出来る ・foil-GEMに比べて、取り扱いが楽、オペレーションが楽(多少の放電で死なない) ・「穴」はドリルで空け、放電防止の「穴の周りの逃げ(Rim)」はケミカルエッチングで空ける 　Rimがあるとgainを高くまであげることができる 　しかし、チャージアップによる動作不安定性がある事が知られている Drilled hole 300mm Rim 100mm TGEM断面図と電気力線 電子雪崩 増幅 厚さ:400mm DVGEM~1kV ・しかしながら、TGEMの基本性能は それほど良くわかってないので、更なる検証が必要 Garfieldによるシミュレーション

6 使用したTGEMのパラメーター 林栄精器にて以下の6種類のTGEMを作成 特性：放電に強い 重要なのは 10cm
#0 #1 #2 #3 #4 #5 (Resistive) 厚さ[mm] 400 200 穴の直径[mm] 300 500 Rim[mm] 100 50 No 穴のピッチ [mm] 700 600 大きさ [cm2] 10 x 10 10cm HV 重要なのは 厚さ:400mm or 200mm 穴径:300mm or 500mm Rim:有り or 無し 極板:銅 or Carbon #5 RTGEM Carbon(graphite) electrode 特性：放電に強い TGEM Cu electrode

7 Test chamber setup 55Fe test chamber gasはP10, 1atmを使用 R/O pad
Double GEM setup 11mm 2mm drift mesh TGEM 1 TGEM 2 R/O pad プレアンプ Edrift Etrans Einduct 55Fe test chamber gasはP10, 1atmを使用 R/O pad HV dividerは抵抗チェーンで作成 pad16ch分を1つにまとめて出力 測定は生シグナルとプリアンプ(t=80ns) 　のアナログ出力をオシロスコープorADC 　に入力 HV divider

8 実際のシグナルと目標 実際に掛けるVthを考慮して、 effective gain ~1×104 で安定動作 gain 2.0×104
Double TGEM #5 P10, 1atm DVGEM = 944V 55Fe X-ray プリアンプアウト プリアンプ gain 2.0×104 ADCスペクトラム res~10%(s) ADC 生シグナル 実機では読み出し回路として Amplifier-Shaper-Discriminator (ASD) を使用し、時間情報のみをTDC読み出しに限って行う。 実際に掛けるVthを考慮して、 effective gain ~1×104 で安定動作 TGEM studyにおける目標

9 TGEMのパラメーターによる違い もう少しgainを上げる必要がある 400mmで穴径300mm以外のTGEMはgainが低いので使えない
#0 #1 #2 #3 #4 #5 (Resistive) 厚さ[mm] 400 200 穴の直径[mm] 300 500 Rim[mm] 100 50 No 400mmで穴径300mm以外のTGEMはgainが低いので使えない Edrift=150V/cm gainが低い DVGEM : Etrans Einduct 1 2.5 5 Rimの大きさによってMaxgainが高くなっている sparkが見られる 105 104 103 102 effective gain DVGEM[V] TGEM#0,#1は目標gain~1×104に達している しかし ・Rimによるチャージアップの問題 ・Carbonは放電に強い RTGEM(#5)も使えるようにしたい そこで もう少しgainを上げる必要がある

10 gainを上げるために1 Einductを上げる事によってgainを上げることができる Edrift=150V/cm TGEMを1枚にして
11mm 2mm drift mesh TGEM R/O pad Edrift Einduct 55Fe Single GEM setup Edrift=150V/cm TGEMを1枚にして DVGEM=1200Vで Einductを変化させて測定した DVGEM Einduct 1200V 変化 DVGEM=1200V 104 103 102 effective gain Einduct[kV/cm] 薄いGEMとの違い [S.Bachmann et al., NIM A438, 376 (1999).] によれば、 foil-GEMでは8kV/cm程度までEinduct に対しlinear-scaleでgainが上昇する TGEMではグラフのようにEinduct に対しgainの上昇の仕方がすごい Einductを上げる事によってgainを上げることができる

11 gainを上げるために2 RTGEMでもEinductを上げる事で目標gain1×104到達できた Edrift=150V/cm
11mm 2mm drift mesh TGEM 1 TGEM 2 R/O pad Edrift Etrans Einduct 55Fe Double GEM setup Edrift=150V/cm TGEMを2枚にし Einductの比率を変えた HV dividerを4種類作成 DVGEMを変化させて 測定を行った DVGEM : Etrans Einduct type1 1 2.5 type2 5 type3 6.25 type4 7.5 105 104 103 102 10 effective gain DVGEM[V] spark Etransを変えても変化なし type2-2 1 : 5 RTGEMでもEinductを上げる事で目標gain1×104到達できた

12 時間依存性 Rimがあるとチャージアップの効果が見られ不安定である RimのないRTGEMはgainとエネルギー分解能ともに安定している
#0 #5 (Resistive) Rim[mm] 100 No HV divider type3 type4 Edrift=150V/cm DVGEM : Etrans Einduct type3 1 2.5 6.25 type4 7.5 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 50 40 30 20 10 (corrected by P/T[hPa/K]) resolution(s)[%] corrected relative gain #0 gain 2.0×104 #0 gain 2.0×104 #0 gain 4.0×103 #0 gain 4.0×103 #5 gain 2.0×104 #5 gain 2.0×104 #5 gain 4.0×103 #5 gain 4.0×103 peak相対値の時間依存性 time[h] time[h] エネルギー分解能の時間依存性 gainによってチャージアップの仕方が違う Rimがあるとチャージアップの効果が見られ不安定である RimのないRTGEMはgainとエネルギー分解能ともに安定している

13 これから まとめ 実機の増幅器としてはRTGEMを用いる
E15実験におけるCDSのビーム方向位置分解能向上のためのupgradeとして、TGEMを用いたTPCを開発中である TGEMについて ・RimのあるTGEMはgainを容易に高くすることが出来るが、チャージアップのため長時間では動作が不安定になる ・RimのないRTGEMはEinductを上げる事でgainを高くでき、長時間でも安定に動作する事がわかった ・ion-feedbackのstudyを行う ・4月後半から実機でのstudyを開始する ・2009年夏、TGEM-TPCは完成予定 実機の増幅器としてはRTGEMを用いる これから ご清聴ありがとうございました

14 Back up

15 p/T dependence single GEM of #0
GEMのgainはP/Tで変動するのでそれを考慮する必要がある peak ratio 補正前 P/T 関係性がある 補正 補正曲線 peak ratio 補正後

16 増幅の限界 Edrift=150V/cm DVGEM : Etrans Einduct type1 1 2.5 type2 5 type3
6.25 type4 7.5 105 104 103 102 10 effective gain DVGEM[V] 105 104 103 102 10 effective gain DVGEM[V] 一定のgainのを 超えるとsparkしだす ＝増幅の限界 一定のΔVGEMを 超えるとsparkしだす ＝電圧による限界

17 Spark rate #5 gain 〜2× Hz gain 〜4× Hz

18 Einductを上げすぎると 当たり前だがparallel plate multiplicationが起きる