高速中性子を用いたマイクロメガスのビームテストの結果報告

川西裕基 , 川本辰男 A, 越智敦彦 B, 片岡洋介 A

増渕達也 A, 寺尾伸吾 , 竹本強志 B, 山根史弥 B

東京大学理学系研究科素粒子物理国際研究センター A

神戸大学大学院理学系研究科 B

日本物理学会　 2013 年秋季大会9 月 20 日 @ 高知大学

20pSM-4

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目次 ● 　マイクロメガスの introduction● 　中性子ビームテストの概要● 　ビームテストの解析結果　　 −　今回の解析方法　　 −　放電レートの HV 依存性　　 −　 config.( 入射角 ) 依存性　　 −　新・旧型機での放電レートの違い● 　まとめ　　 −　今後の予定

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ATLAS におけるマイクロメガス● 現在の Luminosity = 7×1033 cm-2s-1

● 2018 年の upgrade で Luminosity が、 現行の検出器の requirement ( 現行機は drift tube の MDT を使用 ) の 1×1034 cm-2s-1 を大きく超える。 → high η の部分 (small wheel) が限界。 → high rate に耐えられる検出器を 作成したい。

● 要求性能： Luminosity は 5 〜 7×1034 cm-2s-1

位置分解能や時間分解能は、 現行の性能維持

● 現在は基本的な design & test 2013 年〜来年 本番に用いる試作機のテスト (1m×2m の大型試作機 ) その後、量産体制に入る計画。

20 September 2013 JPS meeting @ Kochi 3 / 16

マイクロメガスの構造● ガス検出器の一種で、 5 mm の gap 間にガス (Ar+CO2) を用いて、この gap 間でガスを電離し、 cluster を作る。● Ar=93%, CO2=7% gas gain は約 104

● mesh によってドリフト領域とガス増幅領域を分けている。● 放電を防ぐため resistive strip を読出し strip の前に設置。● strip 間の距離は 400μm, 256ch, Mesh は 80 μm 格子● ガス増幅での陽イオンが約 100 ns で回収されるため、 pile up に強いと期待される

狭い領域に高電位が掛かっているのが特徴

試作機の写真4 / 1620 September 2013 JPS meeting @ Kochi

放電をコントロールするためには、resistive strip の部分が鍵になる。

→ 改良を中心に R&D を進めている。

2 つの方法を日本グループが提案従来：炭素製の resistive strip を print する製法→ 試作機を作製、 test beam に投入した経験あり。• 2013 春季大会 LHC ATLAS 検出器のアップグレードに向けた Micromegas 検出器の開発と試験• http://atlas.kek.jp/sub/documents/jps201303/kataoka_mm130327.pdf

• 2012 秋季大会 LHC ATLAS 検出器アップグレードに向けたマイクロメガスのビームテストの結果報告• http://www.icepp.s.u-tokyo.ac.jp/~kataoka/jps/kawanishi_2012aut_13pSG-7.pdf

新型： resistive strip を spatter によって作製（日本グループが主導的に提案）

→ 既に 2 台の試作機が完成。→ この製法のものと print 製法のものの比較を行う。どちらかの製法を採用し、 5 年後に ATLAS に投入される。

これまでの日本グループの activity

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• 微細加工可能 （精度高い）• 一様 (σR~10%) 、均一（薄い <0.1um ）• 耐久性に優れる

スクリーンプリント（従来）

• 実機をテスト投入 ( 実績がある )• 安価

200um

print と spatter の 2 種の比較

400um 400um

スパッタ（新型）

• 微細加工が困難 ( 写真参照 )• 摩擦による剥落が起こる　　 ( 耐久性に難あり )• テスト未経験で性能が未知数

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中性子ビームテストの概要場所：神戸大学海事科学科＠ RI 実験棟 (2013 年 6/17 〜 23 日 )動機：我々の小型機の放電耐性を Check する。

spatter は初めて gas chamber に用いられるので特に興味あり。

9Be + D(3MeV) → 10B + n (Q=4.36MeV) の反応を利用　

イオン源

加速器電磁石

9Be target

エリアモニター

今回用いた加速器 ( タンデム型加速器 )

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試作機近辺の拡大図

external trig. として・ Scinti trig.　 ( フラックスを調べるために )・ Random (clock) trig.　 (HV monitor~4kHz)

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液シンFront end card

(SRS-APV)to エレキ

ガス(Ar:CO2=93:7)

Be target

マイクロメガス

測定した data は・ HV monitor(CAMAC)・ SRS・液シン (CAMAC)

ガス

beamtarget から7.5cm

ビームの環境について• およそ 100 nA のカレント → 100×10-9 A / 1.6×10-19 C = 6.3×1011 個 /sec の deutron • 液シンと Geant4 の解析結果から、 neutron/deutron = 6×10-5 → 6.3×1011 個 /sec × 6×10-5 = 4×107 個 /sec の neutron (4π) → 5×104 Hz/cm2

(7.5cm 離れたところ )

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Liquid scinti. 2inch(dia) x 2inch(length) at 60 cm distance

Q=4.36MeV なので、n の energy は Max で〜7MeV

Energy[keV] = 0.28 x ADC + 37 (2000keV => 582)

今回の収集した data set(run) についてChamber, configuration, HV, trigger の 4 つを変化させ、 run を収集。

↑ 変化させた HV の値は Mesh 〜 strip 間の増幅領域

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測定時間は、 Sci trig. = 3min (2min) Random trig. =10min (5min)

カッコ内の時間は、各 Chamber に最高電圧を掛けたときの測定時間

J2 ( 旧型 )

J3 ( 新型 )

J4 ( 新型 )

正面裏45°

90°

480V490V500V510V520V530V540V

Sci. trig.

Random trigger.

20 September 2013 JPS meeting @ Kochi

今回の解析方法

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放電に関しては、以下の定義によってcount を行った。

base line から一定以上の値 (0.23μA, 1.03μA)を threshold とし、この threshold を超えた数を count し、放電レートを求める。

run time [sec]

curr

ent [

μA]

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

← なお、放電の継続時間については、 左図の通り。 (秒単位の連続放電は稀 )

20 September 2013 JPS meeting @ Kochi

HV 依存性・安定性

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20 September 2013 JPS meeting @ Kochi

config. による放電レートの違い

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coun

t [/n

eutr

on/c

m /s

]

2

HV [volt] Geant4 simulation

threshold は baseline + 1.03μA

実験精度と安定性の問題から、 config. による有為な差が見られなかった。

右図は 100nA での中性子 ( 陽子・イオン ) の hit rate(chamber全体 ) のsimulation 。裏面は直に PCB なので（ mesh や package ガスなどなく） rate が一番大きく、横は壁面の立体角が小さいので陽子反跳の寄与が少ないと解釈できる。

20 September 2013 JPS meeting @ Kochi

Chamber 間での比較

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460V 470V 480V 490V 500V 510V 520V 530V 540V1.00E-07

1.00E-06

1.00E-05

1.00E-04

1.00E-03

J2J3J4

coun

t [/n

eutr

on/c

m /s

]

2

threshold は baseline + 0.23μA

このシフトは、増幅領域間隔の差による (J2: 128μm, J3, J4: 100um) と解釈できる。nominal voltage が 50 Vほど違うため、新旧 chamber で有意な差は見られない。

まとめ

● 　 ATLAS のアップグレードのためにマイクロメガスを開発中。

(resistive strip の部分の新しい技術を提案している )

● 　中性子ビームでの performance を確認→少なくともビームテスト中は、新型機の resistive

strip 部分 が焼損・蒸発などせず、放電に耐えうることが分かった。 → 性能も、旧型機と同等程度のパフォーマンスだった。

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今後の見通し

[ 提案した chamber の test]● 　 tracking 、 aging についても理解を深めていく● 　現在、神戸大学にて宇宙線を用いた tracking のテスト中● 　荷電粒子を用いたビームテスト @Spring8→tracking

(11/15 〜 23 を予定 )

[ 提案した方法での大型 module の製作 ]● 　大型化のための R&D → 　 1m×50cm を予定 (冬から春にかけてテスト予定 )

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backup

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連続放電時の波形

J3 480V のときの fit

J3 520V のときの fit

DAQ ・ SRSシステムについて

external trig. として・ Scinti trig.・ Mesh trig.・ Random (clock) trig.

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加速器周辺の動作原理(1) イオン源

Cs の負イオン蒸気を発生させ、薄い層を形成する。ここへ重水素を衝突させる

と、イオン化傾向の小さい Cs から電子を奪い、 D- イオンができる。(2) 加速器

２段階で加速する。両端がグラウンド。前段部分 (GND→+1.5MeV)で

D- イオンを加速。中間部分で窒素分子と衝突させ、重水素の電子をはぎ取る

ことで D+ イオンを生成する。生成された D+ イオンが後段部分(+1.5MeV→GND) で 更に加速される。(3) 電磁石

加速された D+ イオンを四重極磁場で収束させ、ビーム状にしたのち、電磁石に

よりビームラインの切り替えを行う。(4) 9Be ターゲット

加速された D+ イオンが 9Be ターゲットに衝突し、 9Be + D → 10B + n の反応により

中性子ができる。(5) エリアモニター

中性子の空間線量を測定

新型の試作機について● 読み出しストリップとレジスティブ層に スパッタリング技術を用いた。● レジスティブ層の材質はタングステン＋炭素● レジスティブ層の間隔を 200 um 間隔に変更● 読み出しストリップは基板側。 (400 um間隔 )● メッシュは bulk 法で作成

新型試作機の写真

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● マイクロメガスには APV25 というチップが接続されている。● CMS のシリコン用チップで 128 ch. ● 本番は別のチップを使用する予定。● shaping time は 50 nsec 、 pre amp付。● 25 nsec おきに各 strip の電圧情報を記録。● APV25 の電圧情報から 各 strip の signal の時間発展を reconstruct する (下図参照 ) 。● strip( 位置 ) と time bin( 時間 ) の 2 次元で情報を読み出せる。

マイクロメガスの signal

shaping された波形

strip number ( 位置 ) →↑

時間

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