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佐久間 史典 (理研)
徳田 真 (東工大M1)
大西 宏明 (理研)
岩崎 雅彦 (理研)
J-PARC E15実験
E15でのTGEM-TPC
TGEM について
理研でのTGEMの現状
まとめ・これから
deeply-bound
kaonic nuclear
states exist?
T.Yamazaki, A.Dote, Y.Akiaishi
PLB587,167(2004).
Y.Akaishi & T.Yamazaki, PLB535, 70(2002).
W.Weise NPA553, 59 (1993).
search for K-pp bound state
using 3He(K-,n) reaction
3He
K-
Formation
Mode to decay charged particles
L
pp
p
K-pp
cluster
neutron
Decay
exclusive measurement by
Missing mass spectroscopy
and
Invariant mass reconstruction
at J-PARC
Sweeping
Magnet
Beam Line
Spectrometer
K1.8BR
Beam Line
Beam trajectory
CDS &
target
Neutron
Counter
p
1GeV/c
K- beam
Neutron
ToF Wall
n
p
p-
Beam Sweeping
Magnet
Cylindrical
Detector
System
important to measure not only
non-mesonic decay mode
but also mesonic decay mode
to improve z-resolution,
Thick-GEM TPC
will be installed
design
located between CDC and target-chamber
cover the CDC acceptance of AUVA
minimum materials in the acceptance
1mm spatial resolution in the z-direction
field strip
•flexible print
circuit board
•8mm strip
•10mm pitch
•double sided
R/O pad
field cage
これから作成・2月には完成予定 / よろしくお願いいたします林栄さん
Prototype of Readout-Pad
for preamp
through-hole
20mm
4mm
ASD-chipを用いて、時間情報のみを取り出す
preamp arrangement
8
Filed calculation
potential
Maxwell-2D calculation
electric field
Garfield calculation
contours of potential
drift-line of electron
gas:P10, B=0.5T
Expected performance
assumption :
gas = P10, 1atm
E = 150V/cm
 Cdl = 0.34mm, Cdt = 0.60mm
0l = 0.5mm
0t = 0.2mm
Neff = 38.7*0.4(cm) = 15.5
resolution
2
C
2
2
d z
 x  0 
Neff
x : total resolution
0 : resolution w/o diffusion
Cd : diffusion constant
z : drift distance
Neff : effective number of electrons
z
(cm)
0
10
20
30
Dl
(mm)
0.00
1.09
1.54
1.88
l
(mm)
0.50
0.57
0.63
0.69
Dt
(mm)
0.00
1.89
2.67
3.27
t
(mm)
0.20
0.52
0.71
0.85
0.9
0.8
however, f-direction
resolution is limited by pad
size, e.g.,
20.0/sqrt(12) = 5.8mm
resolution(mm)
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
longitudinal
0.1
transverse
0.0
0
5
10
15
20
z(cm)
25
30
35
Thick-GEM、TGEM、THGEM
ロバスト(強靱)、シンプルな製造工程、1枚あたりのゲインが高い
double-clad G10(FR4)基盤を材料に、通常のPCB技術を用いて安く作ることが出来る
(はず)
「穴」はドリルで空け、放電防止の「穴の周りの逃げ(Rim)」はケミカルエッチングで空
ける
foil-GEMに比べて、取り扱いが楽、オペレーションが楽(多少の放電で死なない)、大
面積を覆える可能性
電極やインシュレーターの素材を変えることによって、さらに安定したTGEMを作るこ
とが出来る可能性
TGEM@RIKEN
500mm
etched and drilled patterns are
not centered systematically!
HV
林栄精器にて以下の6種類のTGEMを作成
TGEM#
#0
#1
#2
#3
#4
#5
(Carbon)
Thickness [mm]
0.4
0.4
0.4
0.2
0.2
0.4
Drilled hole
diameter [mm]
0.3
0.3
0.5
0.3
0.5
0.3
Etched hole
diameter [mm]
0.5
0.4
No
0.4
No
No
Pitch [mm]
0.7
0.6
0.6
0.6
0.6
0.7
Size [mm2]
100 x 100
#5 RETGEM
Carbon(graphite) electrode
500mm
#0 400mm, w/ Rim
#1 400mm, w/ Rim
#3 200mm, w/ Rim
#4 200mm, w/o Rim
#2 400mm, w/o Rim
#5 400mm, w/o Rim
Carbon electrode
setup
test chamber
55Fe
drift mesh
11mm
Edrift
2mm
Etrans
2mm
Einduct
readout pad
TGEM #1
TGEM #2
R/O pad
 ASD
DC
1M
20M
72Hz low-pass
mesh
2200p
1M
11mm
20M
GEM1
2M
400um
20M
GEM1
1M
2mm
20M
GEM2
2M
400um
20M
GEM2
1M
gasはP10, 1atmを使用
2mm
R/O
HV dividerは抵抗チェーンで作成
測定はASD(t=80ns)のアナログ出
力と生シグナル
effective gainは生シグナルから計
算して導出
 ASDシグナルを用いてスケール
Edrift=150V/cm
effective gain of #0
DVGEM:Einduct=1:2.5
DVGEM:Etrans:Einduct=1:2.5:2.5
sparkが見られる
GEM#1
1000
ASD pule hight [mV]
single
double
100
10
1.E+05
900
1000
1100
1200
1300
ΔVGEM [V]
1400
1500
double
1.E+04
effective gain
1
GEM #1
single
1600
1.E+03
1.E+02
1.E+01
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
ΔVGEM [V]
目標 : 実際に掛けるVthを考慮すると、ASDのp.h~150mV以上で安定動作
raw signal, ASD signal, ADC of #0
raw signal
Double TGEM #0
P10, 1atm
DVGEM = 1225V
HV-type1
55Fe X-ray
ASD signal
gain~1.1x104
ADC
res~16%()
Double TGEM #0
P10, 1atm
DVGEM = 1111V
HV-type2
55Fe X-ray
Double TGEM #0
P10, 1atm
DVGEM = 1225V
HV-type1
55Fe X-ray
Einduct dependence of #0
DVGEM = 1300V
foil-GEMとは異なり、gainの上がり方がものすごい
foil-GEMでは8kV/cm程度までlinear-scaleで上昇
[S.Bachmann et al., NIM A438, 376 (1999).]
Edrift=150V/cm
Einduct/Etrans dependence of #0
HV dividerは右の3種類を試す
DVGEM:Etrans:Einduct=1:2.5:2.5
type2
DVGEM:Etrans:Einduct=1:2.5:5
type3
DVGEM:Etrans:Einduct=1:5:5
sparkが見られる
Double GEM #0
1000
type1
type1
ASD-analogの限界
type3
100
Double GEM #0
1.E+06
type1
type2
1.E+05
10
effective gain
ASD pulse hight [mV]
type2
1
900
1000
1100
ΔVGEM [V]
1200
type3
1.E+04
1.E+03
1.E+02
1300
1.E+01
900
1000
1100
1200
ΔVGEM [V]
予想通り、Einductを上げることにより安定にgainを稼ぐことが出来る
1300
Edrift=150V/cm
TGEM dependence of #0,1,2,3,4,5
DVGEM:Etrans:Einduct=1:2.5:5
GEM #0
GEM #1
1000
Double GEM
sparkが見られる
GEM #4 (200mm, w/o Rim)は
signal見えず
GEM #2
GEM #5 (Carbon)
100
Double GEM
1.0E+05
10
GEM #0
GEM #1
GEM #5
1
700
800
900
1000
ΔVGEM [V]
1100
1200
effective gain
ASD pulse hight [mV]
GEM #3 (HV-type1)
1.0E+04
1300
1.0E+03
1.0E+02
700
800
900
1000
1100
1200
1300
ΔVGEM [V]
GEM #2,3はraw-signal見えないため表示無し
200mm TGEM はP10,1atmでは使えない!
raw signal, ASD signal, ADC of #5(Carbon)
raw signal
Double TGEM #5
P10, 1atm
DVGEM = 911V
HV-type2
55Fe X-ray
ASD signal
Double TGEM #5
P10, 1atm
DVGEM = 911V
HV-type2
55Fe X-ray
gain~6.9x103
ADC
res~12%()
Double TGEM #5
P10, 1atm
DVGEM = 889V
HV-type2
55Fe X-ray
Einduct/Etrans dependence of #0,1,2,5
Double GEM #1
1000
type1
type1
type2
type2
type3
ASD pulse hight [mV]
ASD pulse hight [mV]
sparkが見られる
Double GEM #0
1000
100
10
type3
100
10
1
1
900
1000
1100
1200
800
1300
900
1100
1200
ΔV
[V]
Double
GEM#5
ΔV
[V]
Double
GEM#2
GEM
GEM
1000
1000
type1
type2
type2
type1
type3
ASD pulse hight [mV]
ASD pulse hight [mV]
1000
100
10
type3
100
10
1
1
800
850
900
950
1000
ΔVGEM [V]
1050
1100
1150
700
750
800
850
900
ΔVGEM [V]
[w/ Rim]はgainでlimit、[w/o Rim]はHVでlimitされるようだ
950
1000
Edrift=150V/cm
time dependence of #0,1,2,5
DVGEM:Etrans:Einduct=1:2.5:5
Double GEM
1.2
1.0
relative gain
0.8
0.6
0.4
0.2
GEM #0
GEM #2
0.0
0
20
GEM #1
GEM #5 (Carbon)
40
60
80
100
time [min]
Cu electrodeでは時間と共にgainが下がる  1時間程度で落ち着く
その他気がついたこと
sparkの後は、gainが上がる(大きいと2倍程度)ように見える
特にRim有りはその傾向が強い
回復に0.5~1.5時間程度を要する
Einductを上げすぎると、(当たり前だが)parallel plate multiplication が起こる
GEMのゆがみのせいでpadに近くなって以下のような状態になった
Double TGEM #2
P10, 1atm
DVGEM = 902V
HV-type2
55Fe X-ray
Rim有りのTGEMは、原因不明で結構大きい+chargeのsignalが見える
固定をしっかりすることによりある程度減るが、完全に無くならない…

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J-PARC E15はK中間子原子核を探索する実験である
Z-vertex-resolution向上のためのupgradeとして、TGEMを用い
たTPCを開発中である
400mm TGEM、RTGEMは(使い方を間違わなけれ
ば)十分実用レベルに達していると思われる
GEMの均一性?
ion-feedbackのstudyを行う
 結果によってはfilterとして3枚目のTGEMを導入
RETGEMもう少し頑張る
実機での使用を仮定して、90Srを用いて外部トリガーによる評価を
行う
実機に向けたTGEMの仕様決定・デザインを行う
2009年夏、TGEM-TPCは完成予定