GEMを使ったTPCの開発
新井聡,池松克昌,宇野彰二,加藤幸弘,木島智広,
黒岩洋敏,小林誠,佐貫智行,杉山晃,高橋徹,土井昌宏,
中村圭一,仁藤修,藤井恵介,松田武,宮崎敦宏,
山口敦史,山口満弘、山村大樹、渡部隆史,マーカス、ロン,
ジュン、ローズ
佐賀大、KEK、筑波大、農工大、工学院、東大、近畿大、
広島大、ミンダナオ、DESY、MPI
GLC-CDC group
登壇者 坂元 宣友
(佐賀大学)
Introduction
ILCの大型測定器では、飛跡検出器としてTPCを検討している。
TPCサイズ: 外径 ~2m
長さ 4m超
必要な位置分解能 150μm(rφ方向)
センサー部分はMPGD(Micro Pattern Gas Detector)を検討
MPGDの利点(MWPCとの比較)
・ チャージの広がりが少ない
・ E×Bの効果が少ない
既存の方法であるMWPCでの究極の性能の試験はプロトタイプのチェンバー
(MPI)でおこなわれた。(前のセッションで報告ずみ)
同じ条件でセンサー部分をMPGDへ交換し、比較試験をおこなう。
Beam test setup
• KEKのπ2ビームラインにて実験
(MWPC/TPCテストのビーム下流にチェンバーをセットしてデータ収集)
• チェンバーのすぐ後ろにトリガーカウンターを設置
• 磁場がないときのみの測定
• ガスはP-10を使用
チェンバー設置点
使用したチェンバー
GEMとは
拡大概略図
10x10cm2 (cern GEM)
円錐形の穴はケミカルエッチングによるもの。
両端の電極間に電位差を与えることにより、穴
の中に高電場をつくり、ガス増幅を起こさせて
いる。
チェンバー内セットアップ
天板
•
GEM間の距離
ドリフト領域
GEM 間の電場は約 2kV/cm
• GEM1と読み出しパッド間の電場
は、約 3kV/cm
23.5mm
1.5mm
1.5mm
• GEMは1枚ごとに独立に電圧を制御す
ることが可能
GEMの両電極間の電位差をVGEM
GEM3
GEM2
GEM1
10MΩ
HV
1.0mm
読み出しパッド
GEM
10MΩ
VGEM
GND
10 or 30 or 50 MΩ
読み出しパッド
MPI/TPCで使用しているパッドと同じ
0.3mm 2mm
6mm
0.3mm
この方向の列をレイヤーとする
全16レイヤー中、6レイヤー
読み出し。 エレキの関係上
各レイヤー、中心の4パッドの
み読み出し
で囲った
部分。
読み出しエレキ
BelleCDCのpreAMP:300mV/pc
postAMP:10倍
トリプルGEMの動作確認
X線(55Fe 5.9keV)を使用して動作確認
立ち上がり時間:~20nsec
Gain vs. HV
10000
100nsec
1000
AMPのサチュレー
ションのため
100
55Fe
5.9keV X線のシグナル
280
300
320
340
360
VGEM (V)
ヒットポジションの決め方
• 各レイヤーのヒット点の決め方
下記の式で得られる、パッドのADCの重心(C.O.G.)により求める。
(
ΣADC i・Y i
C.O.G.=
ADC i : 各パッドのADC
Y i : 各パッドの中心位置
ΣADC i
)
ADC
(例) 1つのレイヤーで、下図のようにパッドのADCが測定されたとき、
上記の式から、
1×0+2×1+3×3+4×1
3
2
1
C.O.G.=
= 3
1
パッド
2
3
4
0+1+3+1
となる。
C.O.G.
このような感じで、各レイヤーのヒット点を決めた。
tracking
event数
ヒット位置分布
左図は、1つのレイヤーのC.O.G.分布。
滑らかなビームの広がり
+
心に鋭いピーク
pad
パッドの中
C.O.G. (mm)
• tracking
6レイヤー中5レイヤーのC.O.G.をヒット点として、
最小二乗法で直線フィットした。 (分解能の評価の対象となるレイヤーを除く)
式は
Y (x) = ax+b
(x軸はビーム軸と同じ)
とする。
residual(垂直入射)#1
• ビームの軸に平行になるようチェンバーをセット
residual -> C.O.G.-Ytrack
σ=190μm
residual
event数
position -> C.O.G.(trackingに使用しなかったレイヤーのも
の)
パッドの中心座標
residual
Ytrack
パッドの中心にtrackが偏っているように見える
residual(垂直入射)#2
Ytrackを1次元分布でみると、やはりパッドの中心
にtrackが集中している。
垂直入射の際、全レイヤーでシングルヒットにな
るtrackが多い。
Ytrack
beam
パッドの中心付近を通るtrackは、各レイヤーでシン
グルヒットになり、trackをパッドの中心に寄せてしまう。
ヒットがあったら ⇒ こっちもヒット
垂直入射では系統的な振る舞いにより正確なtrackingはできない!!
residual(斜め入射)
Ytrackの1次元分布
σ=240μm
residual
• ビームの軸に少し傾けてチェンバーをセット( ~2°)
パッドの中心座標
Ytrack
residual
Ytrack
垂直入射の時のような偏った
trackはない。
Tracking errorを考慮すると位置分解能は210μm
response fun.
チャージの割合
ADC
response fun.
ビーム
track
Xtrack
3
2
1
0
1
2
3
4
Xpad-Xtrack
Xpad-Xtrack
パッド
Xpad : 各パッドの中心
Xtrack : trackingで求めた関数からの値
左図より、パッドの中心付近のtrackでは、
パッド1つに電子の広がりが収まっている
ことがわかる。
電子のひろがり
電子の広がり分布
1ヒットの割合:約20%
これより
広がりは約960μmと想定できる。
threshold:ヒットを定義
するもの
0
(パッドの大きさ:2mm)
960μm
2000
σ(μm)
(event数)
中心がもっともpulse heightが高くなる
1000
800
600
1000
400
約450μm
200
0 1
2 3 4
(ヒットのあったパッドの枚数)
0
0
0 .2
0 .4
0 .6
Threshold / peak pulse height
TPCへの適用#1
MPI/TPC
最大ドリフト長27cm
MWPC ⇒ トリプルGEMに取り替える
TPCへの適用#2
ガス(Ar:CH4:CO2⇔93:5:2)
TPCでの電子の広がり
σ=√σ2+CD ・Z2
CD ~500μm/ √cm (B=0T)
0
~200μm/ √cm (B=1T)beam/cr test
(σ0:GEMによるひろがり)
~100μm/ √cm (B=3T)ILC
σ(μm)
電子の分布は複数パッドにまたがってほしい(位置分解能)
基準 : FWHM=パッド幅(既存2mm)
3000
B=0T
σ ~850μm
2000
B=1T
1000
B=1Tでは2mm幅パッドは厳しい!?
B=3T
0 0
10
20
30
ドリフト長(cm)
1mm幅パッドの場合では
まとめ
• 今回の測定ではtrackingの評価は1つのパッドに電荷のひろがり
が収まるようなポジションがあり、難しい。
• 磁場中でのTPCへのinstallは今のままでのパッドのサイズでは
満足のいく評価ができない可能性がある。
パッドのサイズを1mmへ
パッドの配列をレンガ状にして系統的な振る舞いの抑制
←
今回はcern製のGEMを使用しての試験だったが、 CNS(東京大学) & 渕上ミクロ株式
会社が製作されたGEMについても発展させて試験を行ってく予定である。
ダウンロード

tracking - SAGA-HEP