FTBLFTBL を用いたを用いた SCTSCT モジュールのモジュールの試験とビームパラメータの測定結試験とビームパラメータの測定結

果果

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

LHCLHC （（ Large Hadron ColliderLarge 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：　　　1234 scm100.1

地下約 100m に 4 箇所の観測点がある

ATLASATLAS

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。

研究目的研究目的

• SCT 装置を操作し、 SCT の動作特性や飛跡再構成を理解する。– 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。

SCTSCT 検出器検出器

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

e

e

h

h

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。

バレル SCT

KEKKEK 富士テストビームライン富士テストビームライン(FTBL)(FTBL)

電子 : 2 ～ 3 GeV

設定温度 10℃

Cooling box

シンチレーター（ 6×12cm ）

SCT モジュール：センサー8 面 (6.4×12.8cm)

電子ビーム

9cm

hanawamatsukuma

SCTDAQ systemSCTDAQ 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

　 VME モジュール

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

開発したオンラインモニター

　 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。

　　　　　　　　

飛跡 c2 分布と残差分布（ Alignment前後）

　　　　　 　　　　　　　　

　　　：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 ）

（ alignment前）

２枚目モジュー２枚目モジュールの残差分布ルの残差分布（ｘ）（ｘ）

（ alignment後）

２枚目モジュールの残差分布２枚目モジュールの残差分布

c2 分布

0.00 mm

[mm]

位置分解能位置分解能（飛跡の不確かさを含む）（飛跡の不確かさを含む）

X軸 Y軸

Module 1: Module 2:

53.07±0.14 µm 29.76±0.07

(58. 91±0.19) (29. 03±0.05)

Module 3:

28.86±0.06 Module 4:

(30.03±0.06) 52.75±0.14

(60.01±0.20)

Module 1:

1.202±0.004 mm Module 2:

(1.503±0.013) 1.014±0.004

(0.971±0.003)

Module 3:

1.03±0.00 Module 4:

(1.107±0.007) 1.25±0.008

(1.571±0.003)

測定値（多重散乱）

モジュール検出効率モジュール検出効率

efficiency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

2χ※3 モジュールで構成された

トラックの <3

±Ｒ

R

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=2ｆ C で運転した

x 方向の R依存性

1

2

3

4

- 20<y<- 5

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

1

- 30 - 20 - 10 0 10 20 30

x[mm]

effi

cie

ncy

mod1mod2mod3mod4

モジュール検出効率の場所依存性モジュール検出効率の場所依存性ヒット分布（module1）

X軸 [mm]

efficiency(y)場所ごとの

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

1

1.05

1.1

-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70

y[mm]

effi

cie

ncy

module1module2module3module4

-20＜ｙ＜ -5 　でのＸ依存性（ Module 1-4 ）

-5<x<5 Y依存性

Ｙ軸 [mm]

ハイブリット基板

FTBLFTBL ビームの位相空間ビームの位相空間

dz

dy

dz

dx

xy

dz

dy

x,y共に正の相関⇒ビームは広がっている！？

mm mm

x

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

（ビームダンプの上流 198cm ）

FTBLFTBL のの waistwaist の評価の評価飛跡を重ねると、自由空間で最もビームが絞れた場所（ waist ）が評価できる最下流 Qマグネット（ Q3,Q4 ）の電流値を変えた

2m 2m

2m 2m

y

x

z

焦点： -3.40±0.32m全幅： 31.63±0.90mm

焦点： -2.47±0.11m全幅： 25.31±0.51mm

焦点： -1.24±0.12m全幅： 41.93±0.20mm

焦点： -2.12±0.15m全幅： 44.35±0.65mm

Q3=0,Q4=0　　 SCT の位置ダンプ上流 198cm

Q3,Q4=“best”

WaistWaist の位置と半値全幅のの位置と半値全幅の QQ依存依存

半値幅 [mm]Waist 位置 [m]

Q3 、 Q4 の電流値 Q3 、 Q4 の電流値

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）

運動量分散と位置依存運動量分散と位置依存

M5

Horizontal [mm]

Ver

tical

[m

m]

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

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。

Back upBack up

FTBL 　モニター　配置図

M1M2

M3 M4

M5

M6

M7

上流

ターゲット +rate monitor

電子モニター ( ストリップシンチ )

SC9

Photon monitor(10/25)

位置依存位置依存

M5-3 M5-6場所（水平面）による位相空間の違い

場所による違いも見られない

位置依存位置依存

M5-12 M5-6

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　　　　　　　　　　　　　　　　

Twiss parameterTwiss parameter

エミッタンスエミッタンス

モジュール検出効率モジュール検出効率

efficiency

2χ

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

※3枚のセンサーで構成された

トラックの <3

±Ｒ

22tracktrack yyxxR

Ｒ

モジュール温度が高めであったので Vth=2ｆ C で運転した

（ｘ３、ｙ３）

（ｘ２、ｙ２）

モジュールの位置較正（モジュールの位置較正（ alignmentalignment ））

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

ループ数

(rad)

２２

４４

３３

１１

a4

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

-1 mrad

1 mrad

（ a2, a3, a4 ）の収束

a23a

4a

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

trigger ratatrigger rata をあげるために真空を悪くをあげるために真空を悪くしたした

真空に戻した

Best±30%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

まとめまとめ

• 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）• FTBL のビームプロファイルを測定した

Q3,4=0Q3,4=0 　　 YY軸軸

Q3,4=best YQ3,4=best Y軸軸

Q3,4=0Q3,4=0 　　 XX軸軸

Q3,4=best XQ3,4=best X軸軸

M5-9,m5-12M5-9,m5-12

　　 efficiencyefficiency （ハイブリッド部）（ハイブリッド部）

１ｆｃ 2.3ｆｃ

ResolutionResolution （（ simsim ））

X anxi Y anxi

分散ｙ分散ｙ

分散ｘ分散ｘ

位置依存位置依存

M5-3 M5-9場所（水平面）による位相空間の違い

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

焦点と半値幅焦点と半値幅

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

松隈さんから聞いたでしょうが、 Q4軸への回転は正しくやりましたか。データが正しいとして話をすると。。。

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 [mm]@waist