大型GEMフォイルを用いたGEMトラッカー開発

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1 大型GEMフォイルを用いたGEMトラッカー開発
2010年11月27日 小松雄哉a 青木和也b, 小沢恭一郎a, 金谷淳平b 菅野光輝a, 高木敦子a, 堀泰斗c, 桝本新一a 四日市悟b, 渡辺陽介a, KEK測定器開発室の協力による a東京大学, b 理研, cCNS

2 Contents J-PARC E16実験及びスペクトロメータ について 大型GEMの製作について
2010/11/27 MPGD2010, 小松　雄哉

3 J-PARC E16Experiment Large acceptance (x5 for pair )
Cope with high intensity (x10) Good mass resolution ~ 5 MeV/c2 Good electron ID capability 100 times higher statistics!! High resolution 2010/11/27 MPGD2010, 小松　雄哉

4 Detector components ・３段で軌跡検出から運動量測定 ・外側のGEMほど大きくなり、20cm角、30cm角が必要
Tracker ~Position resolution 100μm High Rate(5kHz/mm2) Small radiation length (~0.1% per 1 chamber) 2010/11/27 MPGD2010, 小松　雄哉

5 GEM Tracker GEM3枚で電子を増幅 Gapの長さは drift6mm,transfer2mm,induction2mm。
Strip読み出しであり、10cm角は350μmピッ チ,20,30cm角は700μmピッチを用意した。 読み出しは間の絶縁物を抜いていない 基板。 Good position resolution 目標値100μm! 今回、20ｃｍ角、30ｃｍ角の大型GEMを製 作しテストした。 Ionization (Drift gap) + Multiplication (GEM) High rate capability + 2D strip readout Horizontal 分解能100μmでmass red 9Mev/c2(MSあり) 　　　　　　　　　　　　 MeV/c2 2010/11/27 MPGD2010, 小松　雄哉 Strip読み出し（抜いた基板）

6 2010/11/27 MPGD2010, 小松　雄哉

7 大型GEMの製作 Wet etching法による。 20cm角は片面4分割、30cm角は片面12分割。 大型化における困難
・穴の合わせ精度が10cm角よりも落ち、穴径が大きくなった。(穴径とgainの関係：S.Bachmann et al,NIM A 438(1999) ) ←マスク改善 ・たるみが生じ、重ねた時にGEM同士が触れてショートするため、gapを短くできず、Transfer電場を上げられなかった。 ←フレームを1mm厚から1.5mm厚にし、片面貼りにした。GEMを貼る専用ジグを開発した。 表裏のセンタ合わせのずれは20μmくらいあった。 2010/11/27 MPGD2010, 小松　雄哉

8 最初の試作 GEMのサイズが大きくなるに従い、製作時の穴径の精度が悪化した。 →目標性能 gain10000倍には達しなかった。
gap[mm] E[kv/cm] 3 1.17 1.31 2 3.9 2010/11/27 MPGD2010, 小松　雄哉

9 穴径改善後 表・裏面のマスクの合わせ精度を改善し、穴径を小さくすることに成功。 改善前:銅穴径~84μm 改善後:銅穴径~77μm
gap[mm] E[kv/cm] 3 1.17 1.31 2 3.9 gap[mm] E[kV/cm] 6 0.60 2.5 1.57 3 2.62 1.6倍と1.2倍 2010/11/27 MPGD2010, 小松　雄哉

10 Ｇａｉｎ Ｃｕｒｖｅ Gapを短くし電場を強くすることでgain10000 倍を（ほぼ）達成。 gap E[kV/cm] 6 0.60 2
Ｇａｉｎ　Ｃｕｒｖｅ Gapを短くし電場を強くすることでgain10000 倍を（ほぼ）達成。 gap E[kV/cm] 6 0.60 2 1.95 3.90 2010/11/27 MPGD2010, 小松　雄哉

11 東北ビームテスト 東北大学電子光理学研究センターにて10cm 角,20cm角,30cm角のGEMチェンバーを 750MeV/cの陽電子ビームに当て、位置分解 能を評価した。(11/15～11/20) ガスはArCO2 70:30 10cm角・・・350μmピッチ　strip読み出し 20cm角,30cm角・・・700μmピッチ strip読 み出し ビームに対して0度,15度,30度と傾けて測定 した。(今回の結果は、０度のみ) 2010/11/27 MPGD2010, 小松　雄哉

12 Setup GEM SSD 時定数1μs, gain3.2V/pC ・シンチ4本をトリガーにし、FADCで波形を取得した。
~150mm ~120mm GEM SSD 3cm角シンチ 1cm角シンチ e+ビーム 1cm角シンチ 1cm角シンチ 時定数1μs, gain3.2V/pC FADC 32ch ・シンチ4本をトリガーにし、FADCで波形を取得した。 ・SSDから内挿したhit位置と実際にGEMによるヒット位置との差の分布から位置分解能を評価。 2010/11/27 MPGD2010, 小松　雄哉

13 トリガーシンチ GEM SSD 2010/11/27 MPGD2010, 小松　雄哉

14 100角GEM 　Vgem=410V 裏面の信号 2010/11/27 MPGD2010, 小松　雄哉

15 解析方法 stripの位置についてstripが読んだcharge量（FADCのpeakの値）で重みをつけ、hit位置を割り出す。
Qi・・・i番目のstripが読んだcharge量 Xi・・・i番目のstrip位置 Charge量 位置 2010/11/27 MPGD2010, 小松　雄哉

16 30cm角 0度 x方向のresidual分布（右上）
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17 結果:0度入射 0度入射に関しては目標値100μmを達成! 200,300角も100角と同等の電圧までかかって安定動作！ サイズ[mm]
結果:0度入射　 サイズ[mm] drift gap[mm] Vgem[V] residual[μm] 100 6 410 89 200 420 90 300 92 0度入射に関しては目標値100μmを達成! 200,300角も100角と同等の電圧までかかって安定動作！ シリコンの位置分解能は~40μm 2010/11/27 MPGD2010, 小松　雄哉

18 まとめと今後 20cm角,30cm角GEMの開発を行った。
20cm角,30cm角の大型GEMのビームテ ストを行い、0度入射については 100μmの位置分解能を実現した。 斜め入射の時間情報を用いた解析はこ れから。 最後に、 2010/11/27 MPGD2010, 小松　雄哉

19 レーザーエッチング大型ＧＥＭ 電子同定用Hadron Blind Detectorに重要 LCP,100μm厚 サイエナジーとレイテック
Scienergy Rayech 2010/11/27 MPGD2010, 小松　雄哉

20 Back up 2010/11/27 MPGD2010, 小松　雄哉

21 結果 0度の20ｃｍ角、30ｃｍ角 X方向(表面) Y方向(裏面) サイズ[mm] drift gap[mm] Vgem[V]
residual[mm] 100 9 410 0.1079 7 0.0937 6 0.089 3 0.1024 200 430 0.1805 420 0.0904 300 0.0919 サイズ[mm] drift gap[mm] Vgem[V] residual[mm] 100 9 410 7 6 0.1217 3 0.1371 200 430 0.1723 420 0.0904 300 0.1585 2010/11/27 MPGD2010, 小松　雄哉

22 R&D is on-going ① GEM Tracker ② Hadron Blind detector
Total 26 detector units. ① GEM Tracker CsI + GEM photo-cathode 50cm gas(CF4) radiator ~ 32 p.e. expected CF4 also for multiplication in GEM Ionization (Drift gap) + Multiplication (GEM) High rate capability + 2D strip readout ② Hadron Blind detector Gas Cherenkov for electron-ID 2010/11/27 MPGD2010, 小松　雄哉

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