GEM を使った TPC の開発
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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
登壇者 坂元 宣友 (佐賀大学)
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 、 MPIGLC-CDC group
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 ~2 m
長さ 4m超 必要な位置分解能 150 μm (r φ 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
使用したチェンバー
• KEKの π 2ビームラインにて実験
• 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
( 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)
ビームライン
チェンバー設置点ビ
-ム
GEM とは
10x10cm2 (cern GEM)
拡大概略図
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
23.5mm
1.0mm
天板
読み出しパッド
GEM2GEM3
GEM1
1.5mm
1.5mm
10MΩ
10MΩ
10 or 30 or 50 MΩ
GEM GND
GEM 間の距離
• 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
GEM の両電極間の電位差を VGEM
VGEM
ドリフト領域
HV
• GEM は 1枚ごとに独立に電圧を制御す ることが可能
読み出しパッド
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
10cm
10cm
この方向の列をレイヤーとする
beam
6mm
2mm
0.3mm
0.3m
m
MPI/TPC で使用しているパッドと同じ
トリプル GEM の動作確認
55Fe 5.9keV X線のシグナル
10000
1000
100
280 300 340320 360
Gain vs. HV
AMP のサチュレー
ションのため
VGEM (V)
立ち上がり時間:~20 nsec
X線( 55Fe 5.9keV )を使用して動作確認
100nsec
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。
C.O.G.=ΣADC i ・ Y i
ΣADC i
ADC i : 各パッドの ADCY i : 各パッドの中心位置( )
(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、
AD
C
1
3
2
1 2 3 4
このような感じで、各レイヤーのヒット点を決めた。
C.O.G.= 1 × 0+2 × 1+3 ×3+4 × 1
0+1+3+1
= 3 となる。C.O.G.
パッド
tracking
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 + パッドの中心に鋭いピーク
式はY (x) = ax+b (x軸はビーム軸と同じ )
とする。
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)
• tracking
even
t数
(mm)pad C.O.G.
ヒット位置分布
residual(垂直入射)# 1
position -> C.O.G.( trackingに使用しなかったレイヤーのもの)
residual -> C.O.G.- Ytrack
• ビームの軸に平行になるようチェンバーをセット
σ=190μ m
residual
resi
du
al
Ytrack
パッドの中心座標
パッドの中心に track が偏っているように見える
even
t数
residual(垂直入射)# 2Y track 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。
beam
ヒットがあったら⇒こっちもヒット
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。
Ytrack
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)• ビームの軸に少し傾けてチェンバーをセット( ~2 ° )
Ytrack
Y track の 1次元分布
垂直入射の時のような偏った track はない。
σ=240μ m
residual
resi
du
al
Ytrack
Tracking error を考慮すると位置分解能は 210μm
パッドの中心座標
response fun.
AD
C
1
3
2
1 2 3 4
ビームtrackX track
0
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。
X pad
X track
: 各パッドの中心
: tracking で求めた関数からの値
チャ
ージ
の割合
X pad-X track
response fun.
パッド
X pad-X track
電子のひろがり
0 1 2 3 4
2000
1000
(ヒットのあったパッドの枚数 )
(eve
nt数
)
1ヒットの割合:約 20%
広がりは約 960μ mと想定できる。
これより
(パッドの大きさ: 2mm )0
σ(
μm
)
0
200
400
600
800
1000
0 0.2 0.4 0.6Threshold / peak pulse height
約 450μm
電子の広がり分布
threshold :ヒットを定義 するもの 960μm
中心がもっとも pulse height が高くなる
TPC への適用 #1
MWPC ⇒ トリプル GEM に取り替える
最大ドリフト長 27cm
MPI/TPC
TPC への適用 #2
σ=√ σ 2+ CD Z・0
2
ガス( Ar : CH4 : CO2⇔93:5:2)
CD ~ 500μ m / cm (B=0T)
~ 200μ m / cm (B=1T)beam/cr test
~ 100μ m / cm (B=3T)ILC
√
√
√
TPC での電子の広がり
( σ 0: GEM によるひろがり)
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)
σ ~850 μm
1mm幅パッドの場合では
B=1T では2mm幅パッドは厳しい !?
0
1000
2000
3000
0 10 20 30
B=0T
B=1 T
B=3 T
ドリフト長( cm )
σ(
μm
)
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
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。
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 ←