Transcript CsI光電面と GEMを用いたガスチェレンコフ検出器 - SAGA-HEP

CsI光電面と
GEMを用いたガス
チェレンコフ検出器
小沢 恭一郎 (東大・理)
荒巻陽紀、浜垣秀樹、織田勧、
森野雄平、山口頼人、佐野哲 (東大CNS)
2006/1/27
MPGD@Saga, K. Ozawa
Contents
•
•
•
•
Gas Cherenkov Detector with CsI GEM
Measurement of Quantum Efficiency
Beam test at REFER at Hiroshima Univ.
Summary
2006/1/27
MPGD@Saga, K. Ozawa
検出器のアイデア
• 鏡なしのチェレンコフ検出器
• 全体で一つのガスベッセル
– Radiatorと光検出が同じガス
– Ar-C2H6 (γｔｈ ~ ２５)
Radiator
ガス
• CSI光電面
電子
ハドロン
チェレンコフ光
– UV sensitive (6 eV, 200nm)
– １４ p.e. for 75cm radiator
CSI
光電子増幅部でのハドロンのEnergy loss
によりハドロンに対しても信号を出す可能性
3層のGEMを使用
1層の増幅率は低くハド
ロンからの2次電子は、
十分に増幅されない。
開発要素： GEM、CSIカソード、ガス
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光検出部 光電子
ガス
GEM3層
増幅
パッド
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2次電子
特徴
• 紫外域に感度を持つ光検出器
• 読み出しにStripやPadを用い
ることで位置情報も得られる
• PHENIX実験では、Window
lessのCherenkov検出器の
光検出部分として用いられる。
• 具体的には、
– GEM３-５層を増幅部に使用
• １層あたりの増幅率は低く安定な
動作
– GEM上面にCsIを蒸着
– Radiator ガスと増幅用のガスに
CF4を用いた場合、75ｃｍの
Radiatorの長さで約58個のp.e.
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References
1. NIM A523, 345, 2004
2. NIM A546, 466, 2005
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CSIを用いた光電面
• 3種類の光電子収集の方法
Transmissive
By Weitzman
• Transmissiveを選択
– 比較的高い量子効率
– 少ないphoton feedback
一番上のGEMにCSIを蒸着して実現
５
１０
CSIの量子効率
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１５
[eV]
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CsIの蒸着
• CSIのGEMへの蒸着 (浜松に依頼)
– GEMにニッケルと金をメッキし、CsIを蒸着
CsI
Au
Ni
Cu
Kapton
Cu
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基本的な手順：
真空度: a few x 10-7 Torr
GEMをマスクしCsIを事前に少し飛ばす
ボートやCsI表面の不純物の除去
のため
（高純度のCsIを使用しているが）
GEMを少しあたためる
不純物や水分の除去のため
Quartz で厚さをモニター
５％程度
２０００A の厚さで蒸着
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Measurement of Q. E.
MgF2
• CSI動作確認
回折格子
PMT
GEM検出器
– UVランプを使っ
たチェック
• 量子効率測定
右の装置で測定
CSI GEMのHandlingの
Schemeを確立させる
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真空紫外分光器
50 ～ 300 nm
分解能 0.2nm
重水素ランプ
115 ～ 400 nm
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GEM detector
分光器
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Results
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Comparison
• We got a consistent result.
• Based on this measurements, the number of
photo-electron with 84 cm long radiator is
estimated as 65.
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Beam Rest @ Hiroshima
• REFER @ Hiroshima Univ.
– Injector of Synchrotron radiation Facility
– 150 MeV/c electron beam
– Beam is colimated to be 100 Hz
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CsI and GEM part
• Operation
1*1cm
Readout Pad
5*5個使用
– Pure CF4
(cosθc=0.035)
– CsI GEM
• 150V
– Other GEM
• 490V
(~104)
Blind
– Water ~ 1ppm
• Blind ON, ED>0
– dE/dx
(2mm+1mm)
– dE/dx
(1mm)
• Blind ON, ED<0
• Blind OFF, ED<0
– Light + dE/dx
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(1mm)
Electrons from ionization
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In reality
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In reality (Run condition)
• Blind plate is placed at 20 cm from CsI
surface.
– Even with “blind on”, 15 p.e. produce by
Cherenkov light could be expected.
Blind
Electron source
Expected
electron
ED > 0
ON
dE/dx (1+2mm) +
Light
16+32+15
ED < 0
ON
dE/dx (1mm) +
Light
16+15
ED < 0
OFF
dE/dx (1mm) +
Large Light
16+65
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Problem #2
• Large common mode noise
– Accelerator and power suppliers of magnets
are in the same room.
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Blind ON (No photon)
• To see electrons from energy loss
– Center one pad
– 16 electrons per 1 mm is expected.
10 fc
7 fc
ED < 0
ED > 0
Produced charge is reduced. But still it’s remaining.
It may be electrons produced btw CsI GEM and 2nd GEM.
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Blind Off (ED < 0)
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Blue: Off, Red: ON
Charge sum of all pads
10 fc
We see the difference!
It may caused by the LIGHT.
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Charge sum for Blind on
• Blind On, ED < 0 (Same data as single pad)
• Charge sum of all pads
7 fc
Noise effect is small.
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Summary of measurements
Blind
Electron source
ED > 0
ON
dE/dx (1+2mm) +
Light
ED < 0
ON
dE/dx (1mm) +
Light
16+15
7 fC
ED < 0
OFF
dE/dx (1mm) +
Large Light
16+65
10 fC
Expected
electron
16+32+15 10 fC
Two “blind on” measurements is inconsistent.
ED>0 should have two times larger charge than ED<0.
If transportation efficiency through CsI GEM is very low,
Efficiency should be 27 % to explain the discrepancy.
It may explain small yield of Cherenkov light
Other possible reason for small number of photo-electrons
Low Q.E. at small wave length
Low transmission
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Summary
• Gas Cherenkov counter using CsI
coated GEM is developed at CNS.
• Measurements of Quantum Efficiency
is done and it’s consistent with
previous results.
• Beam test is done at Hiroshima Univ.
Results show the small signature of
Cherenkov light.
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Pictures from PHENIX
signal electron
partner
positron
needed for
rejection
In PHENIX IR
蒸着装置と
グローブボックス
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Back up
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Gas Cherenkov counter
Mesh:
wireφ= 50μm
Pitch=500μm
CsI
ガス：ＣＦ４
Radiator: 75 cm
入射粒子
3mm
2mm
2mm
2mm
VME ADC
１MΩ
HVmesh
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HVgain (～－2000V)
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GEM gain
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メモ
Gas
CF4
CH4
Ar
C2H6
Ar-C2H6
N0
940
185
255
170
200?
E cutoff
11.5
8.5
9
7.8
?
光量 ∝ N0 / γｔｈ^2 * L
Weitzman HBD 40 p.e. L = 50 cm
CNS 14 p.e.
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Γth
28
34
42
22
25
index
1.000620
1.000444
1.000283
1.001038
1.000811
Pion: 198.9 17.3electronに当る
Electronは、1.38倍
198.9*1.38 = 274.5 (23.9)
Electron(measured): 284.1 (24.7)
差は、チェレンコフ分で、1 p.e.くらい
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