FTBLを用いたSCTモジュールの試験とビームパラメータの測定結果

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1 FTBLを用いたSCTモジュールの試験とビームパラメータの測定結果
筑波大学　塙　慶太 松隈恭子、原和彦、目黒立真（筑波大） 海野義信、寺田進、池上陽一、高力孝、幅淳二　（KEK)、川崎建夫（新潟大） 他、KEK加速器の方々から多くの助言を頂きました

2 LHC（Large Hadron Collider）
ジュネーブのCERN（欧州原子核研究機構）における円周27kmの陽子陽子衝突型加速器 重心系エネルギー：14TeV ルミノシティー：　　　 地下約100mに4箇所の観測点がある

3 ATLAS LHCの汎用型検出器 最大の目標はHiggs粒子の発見 中心から、内部飛跡検出器、カロリメーター、ミュー粒子検出器で構成
ATLASーJ　SCTグループは、内部飛跡検出器のSCT（Semi Conductor Tracker） バレル部のシリコン検出器を建設し、運転調整に携わっている。

4 研究目的 SCT装置を操作し、SCTの動作特性や飛跡再構成を理解する。 SCTの優れた分解能を利用し、FTBLのビーム特性を測定する。
電子ビームを使って、検出効率や位置分解能などを評価 SCTの優れた分解能を利用し、FTBLのビーム特性を測定する。

5 SCT検出器 バレルSCT SCTモジュールはストリップ型検出器で、ベースボードをはさんでシリコンセンサーを表裏に40mradの角度を持たせて貼り付けてある。シリコンセンサーのストリップ間隔は80μmである。 ⇒位置分解能: 　　ストリップを　横切る方向　16μm 　　　 　沿った方向　580μm 荷電粒子 nバルク n + e h Alストリップ p ＋ SiO2 逆バイアス電圧 読み出し 動作原理 シリコンセンサーに逆バイアス電圧をかけ、nバルクを全空乏化する。ここを荷電粒子が通過すると電子-ホール対が生成され、電場によってドリフトし、ストリップ電極に信号が誘起される。

6 KEK富士テストビームライン(FTBL)
SCTモジュール：センサー8面(6.4×12.8cm) Cooling box 設定温度 　10℃ 電子ビーム 9cm 電子: 2～3 GeV シンチレーター（6×12cm） matsukuma hanawa

7 SCTDAQ system SCTDAQとは SCTモジュールの性能評価を行うために開発されたVMEに基づくデータ収集システム
テストパルスによるゲイン測定や環境温度測定などのソフトウェアを含む 開発したオンラインモニター バイアス電圧供給：SCTHV 低電源供給：　SCTLV クロック＆コマンド制御：CLOAC データバッファー：Mustard VMEモジュール

8 飛跡c2分布と残差分布（ Alignment前後）
２枚目モジュールの残差分布 （alignment前） 　 注目するmodule以外の３点を直線fitし、次式によりc2を評価した。 　　 　　　　　　 c2分布 　　　：実際のヒット ：直線フィットの予測位置 si ：位置分解能 (i=x,y) 　　　　（σx:0.016 mm； σy:0.58 mm） ２枚目モジュールの残差分布（ｘ） 0.00 mm [mm]

9 位置分解能（飛跡の不確かさを含む） Y軸 X軸 Module 1: 1.202±0.004 mm Module 2:
Module 1: Module 2: 53.07±0.14 µm ±0.07 (58. 91±0.19) (29. 03±0.05) Module 3: 28.86± Module 4: (30.03±0.06) ±0.14 (60.01±0.20) Module 1: 1.202±0.004 mm Module 2: (1.503±0.013) ±0.004 (0.971±0.003) 1.03± Module 4: (1.107±0.007) ±0.008 (1.571±0.003) 測定値 （多重散乱） Y軸 X軸

10 対象モジュールの両面が反応した数（ずれ＜R）
モジュール検出効率 対象モジュールの両面が反応した数（ずれ＜R） 他の３モジュールで再構成された飛跡数 x方向のR依存性 ±Ｒ 1 2 3 4 ※3モジュールで構成された トラックの <3 SCTの品質検査で不合格のモジュールを用いたので 　不良チップの個性がある 　高めの閾値電圧Vth=2ｆCで運転した R 10

11 -20＜ｙ＜-5 でのＸ依存性（Module 1-4）
モジュール検出効率の場所依存性 -20＜ｙ＜-5　でのＸ依存性（Module 1-4） ヒット分布（module1） Ｙ軸[mm] ハイブリット基板 -5<x<5 Y依存性 X軸[mm]

12 FTBLビームの位相空間 x,y共に正の相関⇒ビームは広がっている！？ （ビームダンプの上流198cm）
傾き＝0とした場合、4モジュール目で約5mmのずれに相当 27cm x,y共に正の相関⇒ビームは広がっている！？ mm mm

13 FTBLのwaistの評価 最下流Qマグネット（Q3,Q4）の電流値を変えた Q3=0,Q4=0 Q3,Q4=“best”
　　SCTの位置 ダンプ上流198cm 2m 2m 焦点：-3.40±0.32m 全幅：31.63±0.90mm 焦点：-2.47±0.11m 全幅：25.31±0.51mm 2m 2m 焦点：-1.24±0.12m 全幅：41.93±0.20mm 焦点：-2.12±0.15m 全幅：44.35±0.65mm

14 Waistの位置と半値全幅のQ依存 Waist位置[m] 半値幅[mm] Q3, Q4の設定電流に依存し、waist位置が動くことを確認
Waist位置で、ビーム幅は約１５mm（Q4軸方向）、４０mm（Q4垂直） Q3、Q4の電流値 Q3、Q4の電流値

15 運動量分散と位置依存 M5 Vertical [mm] SCT M5の測定で 中心＋30mm（+1％Δp） 中心ー30mm（－1％Δp）
Horizontal [mm] Vertical [mm] SCT M5の測定で 　　中心＋30mm（+1％Δp） 　　中心ー30mm（－1％Δp） 　　中心から30mm上 　　中心から30mm下

16 まとめ ATLAS SCTモジュール4台からなるシステムをFTBLでテストし、検出効率や位置分解能などを評価した。
ビーム幅FWHMは、測定ステージ上で約4cm。 飛跡を再構成することで、ビームのwaistやβ(データ紹介は割愛した)パラメータを評価できた。Waistでのビーム幅（FWHM）は約15mm。 Qマグネットの効果や運動量分散の影響を確認できた。

17 Back up

18 FTBL モニター 配置図 上流 SC9 Photon monitor(10/25) ターゲット+rate monitor
電子モニター(ストリップシンチ) M1 M2 M3 M4 M5 上流 M6 SC9 M7

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20 位置依存 場所（水平面）による位相空間の違い M5-6 M5-3 場所による違いも見られない

21 位置依存 M5-12 M5-6

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23

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25 ビームエッミタンス 位相空間に分布している粒子群の、位相空間に占める面積 小さいほど良いビーム　　　　　　　　　　　　　　　　

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27 Twiss parameter

28 エミッタンス

29 対象のセンサーの両面が反応した数（ずれ＜R）
モジュール検出効率 対象のセンサーの両面が反応した数（ずれ＜R） 他の３枚のセンサーで再構成された飛跡数 モジュール温度が高めであったのでVth=2ｆCで運転した ±Ｒ ※3枚のセンサーで構成された トラックの <3 Ｒ

30 モジュールの位置較正（alignment）
各モジュールに１ヒットのみの電子ビーム事象を用いた x=(n0-n1)×0.04/cos(0.02) [mm] n0:モジュール(表)のストリップ番号 y=(n0+n1-767)×0.04/sin(0.02) [mm] n1:モジュール(裏)のストリップ番号 ２，３層目モジュールの中心位置（x2,y2), (x3,y3） ２，３，４層目モジュールのz軸回転（a2, a3, a4） をパラメータとして、直線フィットのc2を最小化 １ （ｘ２、ｙ２） 1 mrad ２ （ｘ３、ｙ３） a4 ３ a3 a2 a4 ４ -1 mrad (rad) （a2, a3, a4）の収束 ループ数 30

31 trigger rataをあげるために真空を悪くした
真空に戻した

32 Best±30% Best+30% Best-30% 同様にビームの焦点、ビーム幅は変わらない

33 まとめ 電子ビームを使って、飛跡再構成をし、検出効率、位置分解能等を評価した。 (FTBLのcommissioningに貢献した）

34 Q3,4=0　Y軸

35 Q3,4=best Y軸

36 Q3,4=0　X軸

37 Q3,4=best X軸

38 M5-9,m5-12

39 　efficiency（ハイブリッド部） １ｆｃ 2.3ｆｃ

40 Resolution（sim） X anxi Y anxi

41

42 分散ｙ

43 分散ｘ

44 位置依存 場所（水平面）による位相空間の違い M5-9 M5-3 これは点がわかりにくいです。上段の飛跡はいらないでしょう。
幅さんに渡した、色分けしたプロットを、 シンチの幅（１ｃｍ）と位置（M5のうしろ)を意識させて見せたら M5の３と９で比べたのなら、＋－３ｃｍずれているので、運動量の違いは＋－１％ の違いです（２７ｍｍが１％；江川さんのメール）。そのずれが、SCTでのずれと相関があるので 、ビーム広がりの一因が運動量分散であると言える。＋－１％は、通常程度の分散であり、実際、FTBLのように ターゲットからコンクリート領域までビームをトランスポートする設計では不可避な値。ただ、設計時のシミュレーションでの ビーム広がりは小さいので、まだ、十分理解できていない

45 焦点と半値幅 焦点 半値幅 Qダブレットを動かすことにより、焦点、半値幅が動くことを確認
プロットは作り直して、みやすくしてください。 横軸：Q3とQ4の電流値（”best”で規格化） 縦軸：waist位置　[m] FWHM 焦点と半値幅 焦点 半値幅 Qダブレットを動かすことにより、焦点、半値幅が動くことを確認