Transcript R & D of LAr TPC @ KEK

Development of Liquid Ar TPC @ KEK
Takuya Hasegawa, Takashi Kobayashi,
Takasumi Maruyama, Koichiro Nishikawa,
Masashi Tanaka
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Next Generation n and Nucleon Decay Physics
 CP violation in nm→ne oscillation.
 beyond q13
 Larger far detector will be needed
 p0 reduction will become more important
 Proton decay: p→nK+
 SUSY models predict large branching fraction
 Charged Kaon identification is important
 Liquid Argon TPC is an excellent detector for these
particular physics modes
 100 kt LAr detector has comparable sensitivity to
500 kt water cherenkov detector
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Liquid Argon TPC
Ionization
Electron
E
 Ionization Electron
 105 e / MeV
 Slow drift: m/ms@ kV/cm
 Small diffusion: 3 mm after
20 m drift
Cherenkov Light
 Drift electron lifetime:
O2,H2O contamination
 No amplification in liquid
νμ Charged current
Charged
Particles
Scintillation Light
νe Charged current
A. Bueno, et.al.,, hep-ph/0701101
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Large Size Detector
REadout
GEM
GAS Argon
5kV/cm
GAr
20 m
Liquid Argon
1 kV/cm
E-field
E ≈ 3 kV/cm
LAr
E≈ 1 kV/cm
R&D items：
Recover attenuation
after long drift
→double phase readout
λ=0.5m/ppb
80 m
Ionization electron readout device/electronics
Large vessel、Argon purification、cryostat、HV
Analysis technique etc...
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KEK R&D Status
 Last summer, KEK neutrino group has started R&D
effort of the liquid Argon TPC
 Still under establishing basic techniques
 Helps from KEK
 cryogenic/accelerator division
 Detector Technology Project (測定器開発室)
 Liquid Xenon R&D group
 Collaborating with LAr R&D project at ETHZ
 Built small test stand to study;
 Readout device and electronics
 Liquid Argon purity
 Short term goal
 Establish double phase TPC
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KEK Test Stand
NIM A241 (1985), 62
 Refer ’85 C. Rubbia’s paper
 20cmfx25cm test chamber
inside an open bath of LAr
 Liquefy Gas Argon inside
test chamber
Purify Gas Argon
 Commercially available filter
 Oxygen (cupper reductant)
 Water (molecular sieve)
 Specification: <10 ppb
Hydrosorb
Oxysorb
Vacuum
pump
Open bath
Liquid Ar
Gas Ar
Test
Chamber
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Test Chamber
Open bath
30cmfx45cm
Test chamber: CF253 flange
vacuum vessel
Port: signal/HV/Gas input/Vacuum
super insulator
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Ion chamber





Simple ion chamber
 10cmx10cm Cu plates
 5 cm distance
 -2 kV HV (cathode)
Trigger counter
 select events pass through
the detector
Oscilloscope readout
 no amplification
 1 MW coupling
 readout t ~ 400 ms (>>
drift time ~50 ms)
Observed signal
 Blue: Trigger signal
 Yellow: Anode signal
Took data for ~20 hors
 ~650 trigger events
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Signal Charge
 Integrate the oscilloscope waveform
to estimate signal charge
 Integration cutoff 200—600 ms
 40% pedestal event (trigger
coverage is larger than the
detector)
 Divide data into 4 time periods
 No major degradation
 t ~ 50 – 100 hours
200 ms
400 ms
600 ms
w/o pedestal
with pedestal
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Drift Electron Attenuation
 Signal charge is sensitive to
the drift electron attenuation
 Simple toy MC to estimate the
signal charge for different
attenuation length, then
compare with the data
 Signal charge distribution
 Cosmic data (red)
 MC prediction (black)
 Data and MC shows the best
agreement with no attenuation
 This analysis is an estimation
of absolute signal yield
 large systematic
uncertainty (~50%)
 >5 cm (10 ppb) after
considering the systematics
5 cm
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R&D Strategy at KEK Test Stand
purification and
liquefaction
Purity
monitor
Observe Cosmic muon
(simple ion chamber)
2D wire chamber
Establish 1 phase
TPC
Establish double
phase TPC
TPC readout
electronics
Extraction Grid
Strip/Pad
readout
GEM basic
properties
completed
ongoing
major milestone
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Summary
 As a candidate of next generation neutrino/nucleon
decay detector, KEK neutrino group is interested in
Liquid Argon TPC.
 We have built a 10L test chamber
 Successfully observed cosmic muons
 Took data for ~20 hours without major
degradation of the signal
 Comparison of the signal charge between data
and MC prediction shows we have already
obtained good liquid Argon purity (<10 ppb)
 Short term plan
 Establish double phase TPC with 10L chamber
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Backup
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液化能力テスト








まずは、安価な窒素を用いて液化能力
の検証を行った。
テスト容器を液体窒素で満たした浴槽
に固定する
気体窒素をテスト容器内に送り込む
 容器内の圧力は1.4気圧程度
容器内に挿入した液面計で液化速度を
測定。
使用した気体量から液体量を推測する
ことも可能。
1時間当たりに
 4 cm、1.3L の液体を生成
 20 kgf/cm2、1m3の気体を使用
当面の実験には十分な液化速度が得ら
れた
液化速度を改善する方法
 液化時の容器内圧力を上げる
 浴槽中の液体とテスト容器の熱交
換の効率を上げる
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



油回転ポンプ＋ターボ分子ポンプ
 油回転ポンプはオイルの逆流が
問題となるので、ドライスクロール
ポンプを購入予定
 ターボ分子ポンプをできるかぎり
容器に近づけることにより、達成
真空度は飛躍的に向上する。
リボンヒーターにより容器を100℃まで
ベーキング
到達真空度（20℃）: 6x10-4 Pa
 アウトガス速度: 0.2 Pa/hour
テスト容器を液体アルゴンに完全に浸
した場合、真空が大きく破れる
 ガスケット(銅)とフランジ(SUS)の
熱膨張率の違いから生じた隙間
に、液体アルゴンが入り込み容器
内で気化していると思われる。
 液体アルゴンの液面をフランジよ
りも下に保って実験を行うことに
する
真空度(Pa)
真空テスト
液面がフランジ
に到達する
時間
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平行板検出器



10cmx10cmの二枚の銅板を平行に 
間隔5cmで並べた単純な検出器
下側銅板(カソード)に高電圧(-2kV)
上側銅板(アノード)より信号読み出し
期待される信号
 dに生じた電荷Qが速度vで銅板間を
動く場合
d
D

電荷Q
速度v
Qd/D
d/v
-HV
宇宙線が検出器を突き抜けた場合
 Q=5(cm)x3(MeV/cm)/24(e
V/電子)=6.3x105電子相当
 読み出される信号電荷量: Q/2
Q/2
D
-HV

Qv/D
Qv/D
D/v
ドリフト電子の減衰がある場合、信号
電荷は少なくなる
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
読み出しエレクトロニクス



増幅/ADC/バッファリング/トリ
ガー/データ書き出し 一連の読
み出し
実際に宇宙線の飛跡を再構成す
る
CAENの液体アルゴンに特化し
たシステムの使用を検討してい
る （もしくはAMPTEK）
CAEN SY2791液体アルゴン用
読み出しシステム(256 ch)

二相読み出しの研究


アルゴンの液相から気相にドリ
フト電子をとりだす。
どのように電場を形成するか


取り出しグリッドの最適化
液面の高さの制御
hep-ph/0811.3384
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循環・純化装置
GEM
ゲッタ
ポンプ



カーボン製のGEM（林栄製）
→ 放電しにくい特徴がある。
→ 高圧印加後の時間安定性なども課
題。
まずは必要かどうか判断
左図 （循環純化装置の例）
→ ゲッターと呼ばれるフィルタ
→ 気体循環ポンプ
 右図
→ 浴槽を使うスキームを使う場合、冷
却能力を上げるための工夫