Transcript 信号測定

MPGD
GEM特性 測定結果
2005年10月 4日
内田 智久
Outline
 テスト環境
 GEMの基本特性（P10）
 P10とArCO2の比較
Test chamber
Gas
Drift plane
HV
GEM
Pre-amp.
Test chamber
Triple GEM detector
55Fe
(5.9 keV X-ray)
Drift plane
Drift
HV
GEM1
Transfer-1
GEM2
Transfer-2
GEM3
Induction
Readout pads
スペーサーにより間隔を調整
システム構成
NIM system
RPN220
Divider
Disc.
CAMAC system
Gate Gen.
Gate Gen.
CCNET
From the pre-amp.
GATE
GATE
BUSY
GATE
8
VETO
120 μs delay
ADC 2249W
GATE
Delay
100ns
11
Pre-amp.はカレントアンプ
2249Wで波形を積分
Number of events
A sample of spectrum
Sigma/Mean≒8.8%
ED=0.5kV/cm
ΔVGEM=325V
ET=1.6kV/cm
EI=3.3kV/cm
Pedestal=104.6
ADC counts
Pulse shape
GEM foilからの信号
150mV
Readout padからの信号
80ns
ΔVGEM dependence
3枚のGEM両面間の電圧を変化させて測定
55Fe
(5.9 keV X-ray)
10 mm
ΔVGEM
GEM1
4 mm
GEM2
4 mm
GEM3
4 mm
ΔVGEM
ΔVGEM
ΔVGEM
104
ED=0.5kV/cm
ET～1.6kV/cm
EI ～ 3.2kV/cm
103
ΔVGEMが1V増加するとゲインは約8％増加
102
ED dependence
Drift領域の電場を変化させてゲインを測定
55Fe
10 mm
(5.9 keV X-ray)
ED
GEM1
4 mm (1.6kV/cm)
GEM2
4 mm (1.6kV/cm)
GEM3
4 mm (3.2kV/cm)
(ΔVGEM=320V)
(ΔVGEM=320V)
(ΔVGEM=320V)
ED dependence
最大値で規格化
ΔVGEM=320V
ET=1.6kV/cm
EI=3.2kV/cm
強電場ではゲインが下がる
ED dependence
Electric field map
Drift電場が弱い場合
Drift
Drift電場が強い場合
Drift
GEM表面に入る電気力線が増加
Collection efficiencyが低下する
Transfer
Transfer
S.Bachmann, et. al., NIM A 438(1999) 376-408
ED dependence
最大値で規格化
ΔVGEM=320V
ET=1.6kV/cm
EI=3.2kV/cm
強電場ではゲインが下がる
EI dependence
Induction領域の電場を変化させてゲインを測定
55Fe
(5.9 keV X-ray)
10 mm (0.5kV/cm)
GEM1
4 mm (1.6kV/cm)
GEM2
4 mm (1.6kV/cm)
GEM3
4 mm
EI
(ΔVGEM=320V)
(ΔVGEM=320V)
(ΔVGEM=320V)
EI dependence
増加が緩やかに
低電場領域で増加
ΔVGEM=320V
ED=0.5kV/cm
ET=1.6kV/cm
EI dependence
Electric field map
Induction電場が弱い場合
Induction電場が強い場合
Transfer
Transfer
GEM表面に戻る電気力線が減少
Extraction efficiencyが飽和する
Induction
Induction
S.Bachmann, et. al., NIM A 438(1999) 376-408
EI dependence
ΔVGEM=320V
ED=0.5kV/cm
ET=1.6kV/cm
高電場領域でも増加
Induction領域で
低電場領域で増加 ガス増幅が行われる
ET dependence
Transfer領域の電場を変化させてゲインを測定
55Fe
(5.9 keV X-ray)
10 mm (0.5kV/cm)
GEM1
4 mm
ET
4 mm
ET
GEM2
GEM3
4 mm (1.6kV/cm)
(ΔVGEM=320V)
(ΔVGEM=320V)
(ΔVGEM=320V)
ET dependence
高電場では減少
低電場では増加
ΔVGEM=320V
ED=0.5kV/cm
EI=3.2kV/cm
ET dependence
Drift領域とInduction領域双方の特徴を持っているのではないか。
Drift
ED dependence
GEM-1
Transfer
ED dependence×EI dependence
GEM-2
Transfer
ED dependence×EI dependence
GEM-3
Induction
EI dependence
Readout pads
ET dependence
ΔVGEM=320V
ED=0.5kV/cm
EI=3.2kV/cm
良く一致する
Induction gapの影響
Induction領域の間隔を変化させ測定
55Fe
(5.9 keV X-ray)
10 mm (0.5kV/cm)
GEM1
2 mm (1.6kV/cm)
GEM2
2 mm (1.6kV/cm)
GEM3
1,2,4 mm
(ΔVGEM=320V)
(ΔVGEM=320V)
(ΔVGEM=320V)
EI dependence
Induction gap=1, 2, 4 mm
104
103
ほぼ電場強度で決まる
102
Transfer gapの影響
Transfer領域の間隔を変化させ測定
55Fe
(5.9 keV X-ray)
10 mm (0.5kV/cm)
GEM1
1,2,4 mm
GEM2
1,2,4 mm
GEM3
2,4 mm(3.2kV/cm)
(ΔVGEM=320V)
(ΔVGEM=320V)
(ΔVGEM=320V)
ET dependence
Transfer gap=1, 2, 4 mm
104
ほぼ電場強度で決まる
103
ΔVGEM=320V
ET=1.6kV/cm
EI=3.2kV/cm
102
Charge correlation
GEM foilからの信号
Readout padからの信号
電荷量の相関はどうなっているのか
Charge correlation
QFoil (pC)
両チャージ量に相関がある
QPad (pC)
GEMの基本特性

GEM両面電極間の電圧に


Drift領域の電場が上昇すると



Collection efficiencyが減少
Induction領域の電場が上昇すると


増幅率が敏感に変化する
Extraction efficiencyが増加
GainはΔVGEM+各領域の電場強度でほぼ決まる
Readout pad、GEM foil信号の電荷量に相関
ΔVGEM (ArCO2)
104
ED=0.5kV/cm
ET～1.6kV/cm
EI ～ 3.2kV/cm
P10
103
102
ArCO2 (70:30)
ED～0.5kV/cm
ET～1.8kV/cm
EI～3.6kV/cm
ED dependence (ArCO2)
ΔVGEMが増加したのでEDの大きな方へ移動した
P10
ΔVGEM=320V
ED=0.5kV/cm
EI=3.2kV/cm
ArCO2 (70:30)
ΔVGEM=360V
ED=0.5kV/cm
EI=3.6kV/cm
EI dependence (ArCO2)
104
103
102
P10
ΔVGEM=320V
ED=0.5kV/cm
ET=1.6kV/cm
ArCO2 (70:30)
ΔVGEM=360V
ED=0.5kV/cm
ET=1.8kV/cm
ET dependence (ArCO2)
P10
ΔVGEM=320V
ΔVGEMが増加したのでETの大きな方へ移動した
ArCO2 (70:30)
ΔVGEM=360V
まとめ


GEMの基本特性を測定
GEM foilから信号読み出し
今後さらに詳細な特性を測定し発表する予定
最適動作条件を求める為
•３枚のΔVGEMを独立変化させた時
•２つのETを独立変化させた時、など
付録
ADC calibration
ADC calibration
Drift velocity of electrons
in P10 gas
μm/ns
40
20
EI=3.2kV/cm
Drift velocity ≒ 25μm/ns (at 3.2kV/cm)
1mm: 40ns
2mm: 80ns
4mm: 160ns
で信号が立ち上がる
Induction gap = 4mm
160ns
31mV
Mean of ADC counts=217.8
EI=3.2kV/cm
ED=0.5kV/cm
ΔVGEM=320V
ET=1.6kV/cm
Induction gap = 2mm
80ns
85mV
Mean of ADC counts=266.2
EI=3.2kV/cm
ED=0.5kV/cm
ΔVGEM=320V
ET=1.6kV/cm
Induction gap = 1mm
40ns
130mV
Mean of ADC counts=276.7
EI=3.2kV/cm
ED=0.5kV/cm
ΔVGEM=320V
ET=1.6kV/cm
Drift velocity of electrons
in ArCO2 gas
cm/μs
P10 gas
4
2
数kV/cmで飽和
電場の増加により増加
EI=0.72kVcm
120 ns
56 ns
EI=3.2kV/cm
ED=0.5kV/cm
ΔVGEM=320V
ET=1.6kV/cm
EI=3.6kVcm
48 ns
EI=3.2kV/cm
ED=0.5kV/cm
ΔVGEM=320V
ET=1.6kV/cm
EI=5.76kV/cm
40 ns
EI=3.2kV/cm
ED=0.5kV/cm
ΔVGEM=320V
ET=1.6kV/cm
EI=8.64kV/cm
40 ns
EI=3.2kV/cm
ED=0.5kV/cm
ΔVGEM=320V
ET=1.6kV/cm