LHCアップグレードにおけるMPGDのTPC読出し

Presentation on theme: "LHCアップグレードにおけるMPGDのTPC読出し"— Presentation transcript:

1 LHCアップグレードにおけるMPGDのTPC読出し
神戸大学　越智敦彦 2019/3/21 アクティブ媒質TPC開発座談会

2 はじめに この話は「アクティブ媒質」な話ではありません。
荷電粒子トラックを、MPGDを用い、さらにTPC的な読 出しを用いるという、本研究会の趣旨のお隣分野の 話です。 検出器が「アクティブ媒質」になってしまっては困る場 合がほとんどです。 一方で、共通する技術も多々ありそうなので、互いに 協力できる要素を探りつつ聞いて頂ければ幸いです。 A. Ochi, アクティブ媒質TPC座談会 2019/3/21

3 お品書き MPGDとは LHC Upgrade と MPGD マイクロTPCによる最近の研究結果
A. Ochi, アクティブ媒質TPC座談会 2019/3/21

4 お品書き MPGDとは LHC Upgrade と MPGD マイクロTPCによる最近の研究結果
A. Ochi, アクティブ媒質TPC座談会 2019/3/21

5 MPGDとは Fine patterning realized …
Fine position resolution ( < 100 micron ) Fine timing resolution ( < 10nsec ) High operational capacity for intense irradiation ( > 107 counts/mm ) …. A. Ochi, アクティブ媒質TPC座談会 2019/3/21

6 MPGDs: Probably one of the most versatile technology
High Granularity Charged Particles Single Stage Fast Radio-Pure Photons Multi Stage Neutrons Hybrids (different MPGD) Low Material Budget Tracking Very High Gain Thin Drift Flushed Low Gain Calorimeter Large Drift Sealed No Gain TPC Charge readout Light readout Thin Windows Small Large Conversion in gas Mixture Low Fields Conversion outside the gas Pure Noble Gas High Fields In the extreme case.. Without gas Pure Quencher High Pressure Planar Spherical Ambient Pressure Low Pressure Semi-Cylindrical High Rate Cylindrical Low Rate Self Triggering Pads Strips A. Ochi, アクティブ媒質TPC座談会 2019/3/21

7 Large Detector (achieved – “large” effort from the RD51 community)
ALICE (TPC) NICA wa105 E. Olivier, MPGD2017 … with LARGE DETECTOR… you can go for LARGE PROJECTS… A. Ochi, アクティブ媒質TPC座談会 2019/3/21

8 お品書き MPGDとは LHC Upgrade と MPGD マイクロTPCによる最近の研究結果
A. Ochi, アクティブ媒質TPC座談会 2019/3/21

9 LHC Upgrade 2021年からのRun3, 及び2026年以降のHL-LHC 実験へ向けて、検出器の upgrade も行われる
A. Ochi, アクティブ媒質TPC座談会 2019/3/21

10 E. Oliveri, MPGD2017 Fresh Installation TOTEM (GEM) CMS(GEM, mRWELL)
Some of them running, Some of them approved for upgrades Some of them under evaluation Fresh Installation TOTEM (GEM) CMS(GEM, mRWELL) COMPASS(2TGEM+mm, micromegas, GEM) GLACIER(LEM) NA48 (micromegas) LHCb (GEM, mRWELL) ALICE(GEM) CAST(micromegas,InGrid) ATLAS(micromegas) DIRAC (MSGC-GEM) RED = LHC MPGDs and CERN A. Ochi, アクティブ媒質TPC座談会 2019/3/21

11 TOTEM GEM LHC E. Oliveri Stable operation at very high rates up to 12 MHz/cm2 Achieved spatial (time) resolution: 135 mm (7 ns) at high intensity 2* 108 s-1 Open Closed TOTEM Readout Plane Sensitive area Δϕ=192o Δϕ=192o total, inelastic and elastic cross-section measurement A. Ochi, アクティブ媒質TPC座談会 2019/3/21

12 ALICE Time Projection Chamber Endplate Upgrade with GEMs
ALICE TPC Upgrade  replace MWPC with 4-GEM (to limit space charge effects) Continuous TPC readout for 50 kHz Pb-Pb readout Maintain physics requirements: IBF < 1%, energy; s(E)E < 12% achieved IROC OROC1 Ion Back Flow in a GEM system reduced from > 5 % (3 GEM) to < 1% (4 GEM) discovered enhanced ion trapping at high rates OROC2 OROC3 Preproduction: Single-mask GEM allows for production of ~1 m foils A. Ochi, アクティブ媒質TPC座談会 2019/3/21 C. Garabatos

13 GEM / Micromegas : ATLAS and CMS upgrades
Development and optimization of large-area MPGDs for tracking and triggering MM for the ATLAS Muon System Upgrade: GEMs for the CMS Muon System Upgrade: Standard Bulk MM suffers from limited efficiency at high rates due to discharges induced dead time Solution: Resistive Micromegas tecgnology: Single-mask GEM technology (instead of double-mask) Reduces cost /allows production of large-area GEM R&D: 6 generations of triple-GEM detectors Assembly optimization: self-stretching technique: assembly time reduction from 3 days  2 hours  Add a layer of resistive strips above the readout strips Spark neutralization/ suppression (sparks still occur, but become inoffensive) 2.4 x 1m2 MM resistive chamber constructed and characterized at CERN RD51 lab A. Ochi, アクティブ媒質TPC座談会 2019/3/21

14 Further upgrade of ATLAS (2023~)
For large eta muon detector Very high rate ~ 107Hz/cm2 Pixelalated Micromegas Micro-Resistive WELL Resistive μ-PIC Fast timing Micromegas Drift plane Anode Resistive cathode　(-HV) Pickup electrode Thin substrate (35 μm) 400 μm Thick substrate 50 μm DLC cathodes Use of pico second timing resolution Spark rates in Neutron A. Ochi, アクティブ媒質TPC座談会 2019/3/21

15 ILC Time Projection Chamber (TPC): MPGD-Based Readout
MPGDs are foreseen as TPC readout for ILC (endcap size~10 m2): Standard “pad readout” (1x 6 mm2): 8 rows of det. modules (17×23 cm2); 240 modules per endcap Wet-etched triple GEMs Laser-etched double-GEMs 100µm thick (“Asian”) Resistive MM with dispersive anode “Pixel readout” (55x 55mm2): ~ chips per module → per endcap GEM + pixel readout InGrid (integrated Micromegas grid with pixel readout) Primary ions create distortions in the electric field  O(10μm) track distortions ● Machine-induced bkg. and ions from gas amplification  track distortions 60 μm => Gating is needed ● Wire gate is an option ● Alternatively: GEM-gate Resistive MM / InGrid : Laser- etched GEMs / Wet-etched triple GEM: InGrid: A. Ochi, アクティブ媒質TPC座談会 J. Kaminski 2019/3/21

16 お品書き MPGDとは LHC Upgrade と MPGD マイクロTPCによる最近の研究結果
MicroMEGAS for ATLAS NSW μ-PIC for high eta muon tracker A. Ochi, アクティブ媒質TPC座談会 2019/3/21

17 ATLAS NSW project 最内層の前方μ粒子検出器を、 2019-20 のLHCシャットダウン時 に入れ替え
直径約10mの２枚の円盤 MicroMEGAS 及びTGCの 2種類の検出器を用い、 それぞれトリガとトラッキング を相補的に実施 A. Ochi, アクティブ媒質TPC座談会 2019/3/21

18 ATLAS Muon spectometer
NSWでは、４＋４層のSTGC、及び4+4層のMicromegas 合計16層 の検出器でmuon の飛跡を捉える。 トロイダル磁場により運動量を測定するにあたり、Background rejection が大きな役割 Lösel, Philipp et al - arXiv: A. Ochi, アクティブ媒質TPC座談会 2019/3/21

19 Micromegas のデザイン 300μm幅の読出電極が425/450μm間隔で配置 1枚につき1023本の一次元読出線がある
抵抗電極はスクリーンプリントにより読出しボードと 同じ線幅・間隔で配置 抵抗値は20MΩ/cm 1cm毎に隣接する抵抗電極と架橋 HVは左右から抵抗電極へ与える ピラーは高さ128μm, 幅0.2mm, 長さ1.2mmの フォトレジストで形成 読出電極は、左右のゼブラコネクタを介して出力 ピラー部のズーム ゼブラコネクタ接続部 抵抗電極パターンズーム A. Ochi, アクティブ媒質TPC座談会 2019/3/21

20 MMのTPC読出し ATLAS NSW では、検出器に対して8～30°の入射角でμ粒子が来る。
A. Ochi, アクティブ媒質TPC座談会 2019/3/21

21 μ-PIC for high eta muon tracker
前方検出器設置候補位置 2.5 < η < 4.5 の領域の検出器 High pT のμのアクセプタンスを、 数十%程度改善する可能性がある。 候補地は、Endcap Cryostat と シールドの間の 5cm の円盤部分 非常に high rate の dose に耐 えなければならない 1016n/cm2 検出器の細かさとしては、 100μm X 100μm 必要  μ-PIC を使って実現できない か、基礎的な開発を行う A. Ochi, アクティブ媒質TPC座談会 2019/3/21

22 高抵抗陰極＋誘起電荷読出し 高抵抗陰極＋誘起電荷読出し カソードを、高抵抗素材のみで構成
絶縁層内層にピックアップ電極を設け、陰極 信号を得る ピックアップ電極含め、二次元読出しに成功。 増幅率は、5×104程度で動作。 Ar 70% + C2H6 30% 中性子を用いた放電試験では、従来の金属 カソードを用いた者に比べて、放電率が104 gain=10000) できた。 Gain Curve 従来型μ-PICの放電率 Cathode (pickup) 300mV Anode 高抵抗陰極型μ-PICの放電率 A. Ochi, アクティブ媒質TPC座談会 2019/3/21

23 Imaging samples A. Ochi, アクティブ媒質TPC座談会 2019/3/21

24 TPC法等を用いた位置分解能 CERN SPS 150GeV muon beam を用いて試験
Hit A. Ochi, アクティブ媒質TPC座談会 2019/3/21

25 まとめ LHC, ATLAS 実験で建設中・計画中のμ-ＴＰＣ技術 を用いたガス検出器を中心に、紹介
High rate (>103-7 cps/cm2) かつ High position resolution (~ 100μm) かつ 大面積 (> O(m2)) の検出器として、MPGDを使用 Active target な検出器についても、互いの開発技 術で協力できる要素は色々ありそう。 Gaseous study, Readout system, Resistive electrodes. etc… A. Ochi, アクティブ媒質TPC座談会 2019/3/21