Transcript 位置分解能 - 東京大学原子核科学研究センター

アクティブ標的として用いるGEMを使用した
タイムプロジェクションチェンバーの開発
東京大学大学院 浜垣研 修士2年
秋元 亮二
2
コンテンツ
• イントロダクション
• アクティブ標的GEM-TPCの概要
• シミュレーションによる性能評価
• TPC性能評価実験
• まとめ
3
イントロダクション
不安定核を用いた非対称核物質の性質研究
非圧縮率、Gamov-Tellar 遷移強度測定 etc.
Recoil light nuclei
• DL=0の反応で実現
→ 前方散乱が重要
Unstable (heavy)
- 断面積が大きい
nuclear beam
- 他の励起状態と分離しやすい
• 逆運動学での実験
→ 不安定核がビーム
• 不安定核の励起状態は不安定で運動学が決
定しづらい
→ 反跳粒子の測定
前方散乱の反跳粒子を測定することが重要
cf.) ds/dW of 208Pb(a, a’)
calculated by M. Ito
4
運動学

68Niビーム（200
MeV/u）を用いたa非弾性散乱
• 非対称核物質の非圧縮率
• 前方散乱（CM系で5°以下）
→ エネルギー：< 1.5MeV/u
→ 標的、検出器の物質量を小さくすることが
必要
→ アクティブターゲットTPC
ガス標的 + ガス検出器
 要求性能
• ターゲット厚 : 薄い
→ 高レートビーム（106 cps）で動作可
• 励起エネルギー : 1 MeV (RMS)
• 角度分解能（重心系） : 3.5 mrad (RMS)
→ 角度分解能 ： ~ 7.5 mrad
→ エネルギー分解能 : ~ 10%
Excitation energy :
20MeV (assumed)
5
TPC概要
Beam
 フィールドケージ
Recoil
• 高レートビームでの動作
25cm
→ space chargeの問題で電場がゆがむ
→ フィールドケージを二つに分け、ビーム
通過領域をワイヤーで遮蔽。ビームは二つの
ケージ間を通過
Pad
• ドリフト長 : 25 cm、ケージ間 ： 4cm
GEM
← ビームサイズ（RMS） : 5cm(drift方向)×1cm
(10cm×10cm)
 ガス
ターゲットに依存（Ex: 4He）
 Readout chamber
Beam
• Gas Electron Multiplier (GEM)
16.45mm
4cm
- レート耐性がよい
- 厚さ：100mm、 穴径：70mm、 ピッチ：140mm
• 読み出しパッド
直角三角形（16.45×16.45mm2）
Wire
(double-layered)
6
Layout
242mm
209mm
40mm
（GEM-Pad：2mm）
7
ガス選択
 ガス : 4Heを使用
 クエンチャーとしてCO2使用
• 物質量が大きくなる → 混合比なるべく少なく
• 水素原子を含むもの（CH4等）は避けたい
← ビームと水素原子が散乱
するとBGの除去困難
 He/CO2の混合比を変えて
（1%、5%、10%）ガス増幅度を測定
（a線源：241Am(5.5MeV), 244Cm(5.8MeV)
放電
混合を使用）
← 増幅度 : 2000程度必要
He/CO2(5%)が最適
8
電子のガス中の振る舞い
ドリフト速度、diffusion係数（longitudinal, transverse）をシミュ
レーション（Magboltzを使用）
ドリフト速度
longitudinal
transverse
 ドリフト速度 : 700V/cm付近からなだらかに
 E=700V/cmで、
• ドリフト速度 : 2 cm/mm
• diffusion係数（transverse） : 240mm
• diffusion係数（longitudinal） : 180mm
9
シミュレーションによる最適化
 フィールドワイヤーの構成
（ワイヤーピッチ、single- or double-layered）
• グランドの影響
• 高レートビームによる電場のゆがみ
 パッドサイズ
• 位置分解能
10
フィールドワイヤー
 電場のゆがみ
• グラウンドからの影響
• 高レートビームによる影響
space chargeの影響で電場がゆがむ
→ ビーム通過領域をワイヤーで遮蔽
Field cage Field cage
24cm
 影響の評価
• 電子を24cmドリフト。飛跡のずれを評価 Shield wire
• Garfieldを用いた電場シミュレーション (single-layered) mesh
• ワイヤーの構成
- single- or double-layered
（シールドワイヤーはsingle-layered）
- ワイヤーピッチ：2.5mm, 5.0mm, 10.0mm
11
電場のゆがみ（結果）
Field cage Field cage
Active area of GEM
x
Beam
• Beam rate : 107 cps
• Energy loss : 700 [keV/mm]
~ 1.75×104 ions/mm
← Sn with 50 [MeV/u]
• Beam spread :
5cm (RMS) （ドリフト方向）
1cm (RMS)
← Dispersion matching mode
beam in RIBF
• single-layeredではグランドの影響が大きい
• ピッチ：2.5mm、double-layered のとき、飛跡のずれは0.5mm以下
Recoil particle
パッドサイズ
 位置の導出
隣り合うパッドの電荷比
x
Q 2  Q1 L x

Q 2  Q1 2
Q 2  Q1 L y
y

Q2 Q1 2
,
 パッドサイズ : 16.45×16.45 mm2
 Energy loss
190 [electrons/mm]
← a with 30MeV in He/CO2(5%)
• 位置分解能 : Edge < Center
• 中心で約150mm(s)
→ 角度分解能 : 1.8mrad（誤差行列より）
Edge
Center
Edge
13
TPC性能評価実験
• 筑波大学研究基盤センター応用
加速器部門の12UDペレトロンタン
デム加速器を用いてTPCの性能評
価実験を実施（2009 12/1-3）
• 4Heビームをフィールドケージ内
に入射。入射、測定条件（入射位置、
ガス増幅率）を変えて位置分解能、
エネルギー分解能を評価
14
Setup 1
4He
Scatterer
ビームレートを調整
（TPC前で100cps）
• Au (厚さ : 2mm)
• 散乱角 : 7°
Beam
• Particle : 4He2+
• Energy : 30MeV
• Beam rate : 1-10 enA
スペクトログラフ、Fコース
Q
TPC
Quadrupole
magnet
Dipole magnet
Au
D
Q
TPC
シンチレ―ター（レートカウント用）
Quadrupole
magnet
15
Setup 2
a
• ガス : He(95%) / CO2(5%) (1 atm)
• フィールド電場 : 700 [V/cm]
• 電圧（GEM） : 450 V, 420 V, 390 V
→ ガス増幅率 : 300, 600,1000
• パッド : 3行6列2 = 36パッド
• プリアンプ（積分型）
- ゲイン : 0.8V/pC
- 時定数 : 80ns
• Readout : FADC (SIS3301; 100MHz)
• Trigger system : TPC self-trigger
（ビーム上流の4 パッドのAnalog sum）
16.45mm
a
Typical event
a
25 mV
100 ns
•
•
•
•
波高 : 25mV
立ち上がり : 100ns
ノイズレベル : ±1mV以下
GEMの増幅率 : 1000
17
位置分解能 1
x 
2
3
3D position derivation
• パッドの電荷比 (パッド方向 : ドリフト方向の垂直面)
• ドリフト時間 (ドリフト方向)
-8.3
パッド方向
位置分解能 : < 700mm
→ 角度分解能 : < 8.3mrad
ドリフト方向
0
8.3
位置分解能 : about 80mm
→ 角度分解能 : ~ 1.2mrad
D yi, j
18
位置分解能 2
ドリフト距離の依存性
ドリフト
パッド
Diffusion係数 (transverse):
240mm/1cm drift
2
s
2
s
2
0

D L
N
Diffusion係数 (longitudinal):
180mm/1cm drift
• D : diffusion係数
• L : ドリフト長 [cm]
• N : 電子数（増幅前） : ~ 2850
• パッド方向 : D2/N =(4.5mm)2
• ドリフト方向 : D2/N =(3.4mm)2
19
エネルギー分解能
1 row
• エネルギー損失 (1 row) : ~ 110 keV （~ 2850 electrons）
• エネルギー損失 (all rows) : ~ 680 keV （~ 17000 electrons）
1 row
s~9%
All rows
s~4%
20
ガス増幅依存性（エネルギー分解能）
ノイズ：1.5 ch.
• 増幅率 : 600ではエネルギー分解能は25%程度変化
• 増幅率 : 300では90%程度変化
21
ガス増幅依存性（位置分解能）
パッド方向
ノイズ：1.5 ch.
ドリフト方向
• 増幅率 : 600（S/N : ~43）では、位置分解能は10%程度変化
• 増幅率 : 300（S/N : ~23）では、パッド方向で20%程度、ドリフ
ト方向で100%程度変化
22
考察1
 エネルギー分解能
• induced chargeのゆらぎは、エネルギー損
失、増幅前の電子数のゆらぎ、ノイズだけでは
説明できない。
• 残りがガス増幅過程からくるとすると、1層で
8.2%、6層で3.4%
→ 8.2%/3.4%=2.41~√6 : 各列のゆらぎは独立
 位置分解能
• 実験で得られたinduced chargeのゆらぎが
増幅前の電子数でスケールすると仮定
• 実データのエネルギー分解能と合うように調
整し、位置分解能をシミュレーション
→ 実験で得られた値がほぼ再現できた
• これを基にa : 6MeV が入射した場合のTPC
の性能を考察した
エネルギー分解能の各成分
1 row All rows
測定結果
9.2 %
3.9 %
エネルギー損失
（GEANT）
3.6 %
1.6 %
増幅前の電子数
の統計的ゆらぎ
1.9 %
0.8 %
ノイズ
1.1 %
0.4 %
ガス増幅等
8.2 %
3.4%
23
考察2
 入射粒子の条件
• 粒子：a ← GEANTでエネルギー損失をシミュレーション
• エネルギー : 5.4MeV, 6.0MeV, 6.6MeV → エネルギー損失：2.4MeV (all rows)
• 入射角 : 0°（フィールドケージの2cm前から入射）
6.6MeV
6.0MeV
5.4MeV
s ~ 2.5% : 反跳粒子のエネル
ギー分解能10%達成（隣と5s
離れている）
位置分解能 : < 400mm
→ 角度分解能 : <4.7mrad
stragglingを入れても<11.6mrad
24
まとめ
• 不安定核を用いた非対称核物質の性質実験のための、アクティブ標的と
して用いるTPCの開発を行い、ビームを用いたテスト実験で性能の評価を
行った。
• 高レートビームを入射した場合の電場のゆがみをシミュレーション。電子
の軌道のゆがみが0.75mm以下になるようにフィールドワイヤーを設計した。
• テスト実験では、30MeVの4Heに対して
 位置分解能
- パッド方向 : < 700mm → 角度分解能 : < 8.3mrad
- ドリフト方向 : ~ 80mm → 角度分解能 : ~ 1.2mrad
エネルギー分解能: ~ 4 %
の性能(s)が得られた。
• 実データと合うようにシミュレーションを調整し、a（6MeV）に対するTPCの
性能をシミュレーション。
反跳粒子のエネルギーを10%以下の分解能で、角度は11.6mrad以下の分
解能で測定できると期待される。
25
Outlook
• 異なるガスの条件（種類、圧力）での性能の評価
超前方散乱の場合、ガス圧を落とす、クエンチャーの
混合比を変えるなど、ガスの条件を変更する必要があ
る。その場合、例えばガス増幅部の性能の変化等を調
べる必要がある。
• 高レートビームを入射した場合の性能
シミュレーション通りゆがまないか。ガス増幅部分での
性能の変化は見られないかを評価する。
• フィールドケージ中で止まる、もしくは止まりかけの粒子
エネルギー損失が増加するため、それを考慮したパッ
ドサイズの最適化、もしくは解析時に補正を行う必要
がある。
End
Recoil particle
Position resolution
x
z
 Position derivation
Position is derived by charge ratio of neighboring pads.
: 8.3mm(x)×25mm(z)
: 16.6mm(x)×25mm(z)
: 20mm(x)×20mm(z)
: 16.6mm(x)×16.6mm(z)
 Recoil particle
a (energy : < 30 MeV/u)
 Four kinds of pad size were used
• 8.3mm(x)×25mm(z)
• 16.6mm(x)×25mm(z)
• 20mm(x)×20mm(z)
• 16.6mm(x)×16.6mm(z)
→ 16.6mm×16.6mm : ~ 300mm
Edge of pad
Center
Edge of 27
pad
28
Simulation for position resolution
 Dependence of energy resolution
Simulate position resolution with different energy resolution
← Only the statistical fluctuation was considered.
: 2%
 Pad size : 16.45 ×16.45 mm2
: 5%
 Energy loss : 190 [electrons/mm]
: 7.5%
← a with 30MeV in He/CO2(5%)
: 9%
 Energy resolution for 1 layer (s)
• 2 % (only statistical fluctuation)
•5%
• 7.5 %
•9%
→ In the case where energy resolution is 9 %,
maximum position resolution : ~ 700mm
→ The result of the performance test explained by the simulation.
29
30
Recoil particle
x
角度分解能
y
q = 20°
q = 0°
角度分解能 : < 7.45 mrad
q = -20°
31
Typical event 2
Use degrader to stop beam
inside field cage
Beam scatters inside field cage