修士学位論文
ATLAS実験に用いる
ミューオントリガーチェンバーTGCの
検査設備の構築および
ガスシステムの開発
物理学専攻
奥村和恵
2003年2月20日
contents
1. Introduction
2. ガスチェンバーとしてのTGC
3. Cosmic Ray Testのガスシステム
・TGC
・Drift tube
4. 動作結果
5. まとめ
LHC加速器
• スイスCERNで2007年実験開始予定
• 陽子・陽子衝突型加速器、周長27km
• 重心系エネルギー14TeV
• Luminosity:1034cm-2s-1
• 目的:Higgs粒子の探索
周長27km
ATLAS測定器
•
•
•
•
•
LHCに設置される測定器
Size:直径22m、長さ44m、総重量7000t
高エネルギー粒子汎用測定器
バックグラウンドが大きい
構成
・内部飛跡検出器
・カロリーメータ
・ミューオンスペクトロメータ
(トリガー用、
ミューオン飛跡精密測定用)
・放射線耐性が必要
・トリガーが重要
・μはきれいなシグナルが期待される
ミューオントリガーチェンバー
TGC、RPC→日本ではTGCを製作
 要請
• 大面積(エンドキャップ;約6600m2)を
覆うことができる
• 2次元読み出しである
• 物質量が少ない
(多重散乱を防ぐ)
• 衝突時間判定が可能
(バンチ間隔:25ns)
• High Rate耐性がある
• コスト
→ガスチェンバー
ガスチェンバーの動作原理
増幅過程
 ゲイン(増幅率)
cathode plane
2次電子
1次電子
 Drift 時間を短くする
→ Drift距離を短くする
Anode wire
Drift速度の速いガスを選ぶ
 空間電荷効果
不感時間をなくすには
陽イオンがかそーどに
速く到達するようにする
→
イオン化 →Drift →電子雪崩
ゲインの小さいガスを選ぶ
ガス増幅
TGC(Thin Gap Chamber)
<TGCの構造>
・ワイヤー間隔:1.8mm
→ドリフト時間を短くする
時間分解能、バンチ識別
・アノード・カソード間隔:1.4mm
→陽イオンが速くカソードへ到達
高レート耐性:1kHz/cm2
・カーボン面抵抗:1MΩ/□
・2次元読み出し
ギャップが小さい
1次電子が少ない→ゲインの大きなガスを用いる
ギャップ間の変化→制限比例領域
光子による放電→強力なクエンチャー
電子雪崩
γ
充填ガス:CO2+n-Pentane(55:45)
ゲイン:105~106
神戸での量産と検査
KEKで1056台のTGCを製作
↓
製作されたTGC全ての性能検査
・リークテスト:気密性
・HVテスト:Leak Current
・Cosmic Ray Test :
TGC全面のefficiency
・ガスチェンバー(TGC,Drift tube)の動作にはガスシステムが不可欠
・長期間安定に運転するシステムが必要
TGCガスシステム
 ガスシステムに対する要請
・CO2+n-Pentane(55:45)
・低圧で分配
・圧力モニター及び安全系
・長期間安定したシステム
流量モニター
Mixer
システムを組む時の留意点
・n-Pentane:常温で液体
有機化合物を侵食
・液化対策
・配管材
安全系
ガス分配
ガスの混合
1atmでCO2:n-Pentane=55:45
・恒温槽でガスを混合
→CO2、n-Pentaneの流量コントロール
・液体n-Pentaneは恒温槽で気体にする(ヒータ:40℃)
・SUS配管
Mass Flow controler
・長期間安定したガスを供給
CO2
→流量モニター
Mass Flow Meter
n-Pentane
(liquid)
Mass Flow controler
(for liquid)
恒温槽
混合ガスの分配
 8系統
 低圧分配
 流量調節
ニードルバルブ:圧力差
→Mass Flow monitor +バブラー
 Mass Flow Meterの値は記録
(1系統に70~100mℓ/min程度)
圧力センサー
Mass Flow
Meter
TGC
バブラー
manifold
8系統
TGCガスシステムの安全系
TGC:0.6kPa overで接着剤が剥離
→0.3kPa overで圧力系safetyが作動
リレー
閉
開
開
0.3kPa Over
圧力センサー
TGC
大気開放
大気開放
n-Pentaneの性質と配管
 液化対策
CO2+n-Pentaneは14℃で液化
・Cosmic Ray Testスペース:エアコンで架台周辺の温度一定(約28℃)
・コントロールパネル:周囲を発泡ウレタンで囲み、放射冷却を防ぐ
・排気口付近:銅管にリボンヒーターを巻き、断熱材で覆う(30~35℃)
→これらはすべて温度モニターされている
 配管材
n-Pentaneは有機化合物を侵食
・基本的にSUS配管
・配管の難しいところはPFAチューブ使用
*PFA:フッ素樹脂
耐薬品性、耐熱性、耐食性に優れている
Drift tubeの構造
宇宙線の飛跡を検出
・直径:50mm、厚さ:2mmのアルミパイプ
・長さ X方向:2m、 Y方向:2.5m
(1本あたり X方向:3.7ℓ、Y方向:4.6ℓ)
・アノードワイヤー:
直径50μm金メッキタングステンワイヤー
Anode wire
・出力波高が一次電子の数によらない
→動作領域:制限比例領域
・Drift velocity(∝E/P):一定
圧力モニター必要なし
充填ガス:Ar+ethane(50:50)
Drift velocity:5cm/μs
ゲイン:105~106
印加電圧:3.5kV
Drift tubeガスシステム
 Drift tube計428本(1.7kℓ)を何系統かに分けて直列につなぐ
→24系統、1系統あたりDrift tube 15~20本(1系統70ℓ)
 ガスリーク→大気圧+αかける
 流量コントロール →2cc/minに絞って流す
 長期間安定したシステム
Drift tubeの動作結果
検出効率
1.0
0
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
HV[kV]
・ 99%でプラト→印可電圧3.5kV
・ 位置依存性はない
Trackingを行うのに
充分な検出効率を持つ
・Trackingに有効なイベントの割合
Tracking efficiency(%)=
有効なhit patternを持つイベント
全イベント数
×100
→1層で 90%、4層全体で70~75%
 空間分解能
→全体でσ=約350μm
Trackingに必要な位置分解(<1mm)
を満たしている。
d
Cosmic Ray Test
宇宙線を用いてTGC全面の検出効率を調べる
muon
Scintillation Counter
<セットアップ>
Scintillation
Drift
Counter:上下各22本
Tube:
Drift Tube
上下XY各3層、計428
TGC
有感領域:1500mm×1940mm
2週間で8units同時に検査
~2600mm
~2500mm
Scintillation Counter
→長期間安定に運転するシステムが必要
~1500mm
<検査方法>
 Scintillation Counter:Trigger
上部全面のor
下部全面のor
coincidence
 Drift tube:Tracking
drift時間→drift距離
上下XY各3層→3次元track
TGCのhit
efficiency(%)=
全track数
×100
→不感領域を除いて99%以上、
全体で95%以上を合格とする
Cosmic Ray Testの検査結果
 efficiency→3.0kVで印加
 3.0kVでのefficiency map
→efficiencyが確認できる
まとめ
以下の要請を満たすようなガスシステムが構築できた
TGC
・圧力コントロール
・リーク対策
・液化対策
・検出効率の検査を行うのに充分な性能を持っている
Drift tube
・流量コントロール
・ガスリーク
・Trackingに充分な性能を持っている
検査期間中の動作
・ゲインの低下による efficiencyの低下は見られなかった。
・検査中に安全系が動作したことはない。
→システムの安定動作の実現
充分な性能を持ち、長期間安全に動作可能なガスシステムが
構築できた。
LHCの物理(予備)
• メインテーマ:Higgs粒子の探索
Higgs粒子:標準理論で予言された粒子の中で
唯一存在を確認されてない粒子
p
+ +
lμ
( )
g
Z
t,b
H
p
g
Z
- -
lμ
( )
+ +
lμ
( )
- -
lμ
( )
• ALAS測定器では80GeV~1TeV探索可能
Muon Toroidal magnet
The interaction of various particles
with the different components of a detector:
発見ポテンシャル
増幅モード
TGCの配管(Mixer部分)
TGCの配管図(全体)
ダウンロード

Document