Transcript ppt - 九州大学 素粒子実験研究室

ガス電子増幅器を用いた
タイムプロジェクションチェンバー
(GEM-TPC)の研究開発
東大CNS, 早大理工総研A, 高エ研B, 理研C
織田勧, 浜垣秀樹, 小沢恭一郎, 犬塚将英,
坂口貴男, 磯部忠昭, 郡司卓, 齋藤翔太,
森野雄平, 山口頼人A, 澤田真也B, 四日市悟C
1. GEM-TPC開発の動機
2. GEM-TPCプロトタイプ
3. ビームテストによる性能評価
4. まとめ
2004/09/28 日本物理学会 2004年秋季大会 高知大学 28aSB-7
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GEM-TPC開発の動機
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高エネルギー重イオン衝突実験により高温高密度状
態の研究をしたい
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高レート、高粒子密度下で使える分解能（位置、近接
飛跡、エネルギー）の良い飛跡検出器が欲しい
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ex. PHENIX-RHIC-BNL, ALICE-LHC-CERN
広い横運動量領域(0.1GeV/c – 20GeV/c)の粒子に興味がある
ので磁場は低く抑えたい~0.3T
dpT/pT2~10-3 (GeV/c)-1
半径2mの円筒型だとして、位置分解能200mm以下が必要
粒子密度が高いので、1cm以上の近接飛跡を識別したい
以上の要求を満たす飛跡検出器として、信号増幅部
にガス電子増幅器（Gas Electron Multiplier）を用いた
TPCが考えられる
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イオンフィードバックが抑えられると期待できる
2次元対称性があるので入射角依存性がない
ワイヤーを用いるときより大型化が容易だと期待できる
http://gdd.web.cern.ch/GDD/
2004/09/28 日本物理学会 2004年秋季大会 高知大学 28aSB-7 東大CNS 織田勧
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GEM-TPCプロトタイプ
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フィールドケージ 35cm(ドリフト方向) x 17cm x 17cm
GEM(3枚) 10cm x 10cm (有感領域), CERN製
パッド 長方形・ジグザグ 1.09mm x 12mm
電荷応答型プリアンプ 時定数1ms
100MHz FADCで24chを読み出す
2004/09/28 日本物理学会 2004年秋季大会 高知大学 28aSB-7 東大CNS 織田勧
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性能評価のためのビームテスト
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GEM-TPCの性能評価のためのビームテ
ストをKEK PS p2ビームラインで行なった
ガスは3種類 Ar(90%)+CH4(10%)(P10),
Ar(70%)+C2H6(30%), CF4(100%)
GEM-TPCの評価項目
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検出効率
位置分解能
ビームレートの影響
エネルギー損失の測定
近接飛跡分解能
Ar+C2H6, ドリフト長85mm, 長方形パッド
1GeV/c 電子ビームのとき
セットアップの模式図
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測定結果1. 検出効率
検出効率を2種類の方法で求めた
1. SSDで飛跡を求め、幅1.8mmの領
2. 前後の2層のパッドにヒットがある
域に入った飛跡に対応するTPCの
イベントで、真ん中のパッドにヒット
ヒットがある割合を求めたら、ゲイン
がある割合を求めたら、一定値は
が4000程度で一定値(97%)になった
99.5%に達した
→3%の損失は多重散乱によりTPC
 Ar(70%)+C2H6(30%) と CF4でも
のアクセプタンス(幅10mm)から外れ
同様に99.5%以上になった
てしまうため
ビームプロファイル
97%
赤 : TPCにヒットがある飛跡
青 : 検出効率の計算に使った領域
99.5%
Ar(90%)+CH4 (10%)
ジグザグパッド
ドリフト長 20mm
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測定結果2.
位置分解能
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パッド3層ごとに、電荷を重みにした加重平均
によりX方向(パッド面内)とZ方向(ドリフト方向)
の位置を求めた
前後の2層から求めた位置と真ん中の層での
位置との残差から、X方向とZ方向の位置分解
能を求めた
1
X1 

X方向
2
X 0 
X2
Ar+C2H6でドリフト長13mmのとき、X方向の分
解能は80mmだった
電場
ドリフト
速度
拡散(横方向)
@1cm
拡散(縦方向)
@1cm
Ar(90%)+CH4(10%)
130 V/cm
5.5 cm/ms
570 mm
360 mm
Ar(70%)+C2H6(30%)
390 V/cm
5.0 cm/ms
320 mm
190 mm
CF4
570 V/cm
8.9 cm/ms
110 mm
80 mm
赤 : Ar+CH4 ジグザグ
青 : Ar+CH4 長方形
黄 : Ar+C2H6 長方形
緑 : CF4 ジグザグ
Z方向↑
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測定結果3.
ビームレートの影響
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X方向
目的: イオンフィードバックが抑えられるかどうかを調べる
ビームスリットの幅を変えることでビームレートを変化させ、
位置分解能が悪化するかを調べた
ビームレートは2.5cm角のプラスチックシンチで数えた
出すことのできたレートの範囲内(<5000cps/cm2)では位
置分解能は変化していない
RHIC (Au-Au, √sNN=200GeV) :
dNch/dh|h=0~300, Luminosity=1.4x1027/cm2/s, sinel=7barn

⇒500cps/cm2 @vertexから30cm
LHC (Pb-Pb, √sNN=5.5 TeV) :
dNch/dh|h=0~5000?, Luminosity=1x1027/cm2/s, sinel=8barn?
⇒7000cps/cm2 @vertexから30cm
Z方向
赤 : Ar+CH4 ジグザグ
青 : Ar+CH4 長方形
イオンフィードバックは十分に抑えられていると考えられる
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55FeのX線(5.9keV)
測定結果4.
エネルギー損失の測定
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CF4
s=13%
55FeのX線(5.9keV)を用いて求めたGEM自体
のエネルギー分解能は
s=11%(Ar(90%)+CH4(10%)), s=13%(CF4)
であった。統計的ゆらぎの1.7倍と1.3倍
0.5GeV/c ~ 3.0GeV/cの運動量の領域でエネ
ルギー損失を測定した
各運動量間でゲインが変動したので、パイオン
が計算上の値になるように補正した(最大12%)
GEMのゲインの変動の原因の候補

チャージアップ:電圧を掛け始めて数時間で数
十%上昇する。GEMの穴の形状による
1.0GeV/cのp+の
エネルギー損失
緑 : e+
ピンク : m+
赤 : p+
青:p
水色 : d
Ar+CH4, ドリフト長85mm, 距離36mm
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測定結果5. 近接飛跡分解能
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ビームレートを高くし(~4000cps/cm2)、1イベント(6.4ms)の中に複数のヒットがあるよ
うにし、そのヒット間のドリフト方向の距離から近接飛跡分解能を評価した
散乱で生じる2次粒子はヒット間の距離が~20mm以下であって、その影響はビーム
レートの低い場合のデータをもとに評価した
ガスはAr+CH4, ドリフト長は85mm 拡散1.7mm(横), 1.0mm(縦)
ヒット間の距離が12mm以上だと識別できる
2次粒子
Accidental
coincidence
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まとめ
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高レート・高粒子密度下で使える飛跡検出器を目指し、GEM-TPCのプロ
トタイプを製作した
GEM-TPCの性能評価のためにビームテストを行なった
 検出効率 : 99.5%
 位置分解能 : 80mm (X方向), 320mm (Z方向) (Ar(70%)+C2H6(30%))
 ビームレート : 5000cps/cm2でも位置分解能は変わらなかった
 エネルギー損失 : 最大12%のゲインの変動があった
 近接飛跡分解能 : 12mm (Z方向)
期待をほぼ満足している
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今後
 GEM : 放電、チャージアップの問題、大型化
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磁場中でのテスト
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シミュレーション
読み出しチャンネル数を多くしたい
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• 高速、低ノイズ、小型、安価なエレクトロニクス
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