Transcript 中性子フラックス

LHC-ATLAS実験アップグレードに向けた
Micromegas検出器の中性子ビームを用いた動作試験
東大理，東大素セA，神戸大理B
山﨑友寛，川本辰男A，片岡洋介A，増渕達也A，齋藤智之，寺尾伸吾，
山谷昌大，越智敦彦B，山崎祐司B，竹本強志B，山根史弥B，山内悟B
日本物理学会2014年秋季大会
2014年9月19日 佐賀大学本庄キャンパス
19aSH-8
LHC-ATLAS Upgrade
LHC
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
2017
2018
2019
2020
2021
2022
2023
2024
2025
2026
・
・・
RUN I
LS1
LS2
New Small Wheel
LAr upgrade
√s = 14 TeV L = 2-3 ×1034 cm-2s-1
phase 2 upgrade
RUN IV
IBL, FTK
√s = 13-14 TeV L = 1 ×1034 cm-2s-1
phase 1 upgrade
RUN III
LS3
√s = 7-8 TeV L = 0.7 ×1034 cm-2s-1
phase 0 upgrade
RUN II
ATLAS
New Inner Trakker
√s = 14 TeV L = 5 ×1034 cm-2s-1
RUN III ではLHCの設計ルミノシティを超える
→ High Luminosity に 強い検出器 が必要 !
2014/09/19
日本物理学会2014年秋季大会
2
New Small Wheel (NSW)
現在
Small Wheel (SW)
設計ルミノシティ 1×1034 cm-2s-1が限界
アップグレード (新しい検出器）
2018〜
NSW
高Hit rateに耐え，パイルアップに強い
SW / NSW
(エンドキャップミューオン検出器)
○ トリガーでの問題
ルミノシティ増加 → fakeのヒットがトリガーレートを圧迫
Low pT の信号事象がトリガーできない !
例： WH → μνbb 過程 pT (μ)
NSWの情報もトリガーに使い，fakeを除去
→pT 閾値 〜20GeV (L1) の保持が可能
2014/09/19
日本物理学会2014年秋季大会
pT (μ from W) [GeV]
3
NSW
Micromegas と sTGC の2種類の検出器で構成
Micromegas ・・・ Primary tracking detector
sTGC
・・・Primary trigger detector
4 + 4 + 4 + 4 層
L = 1 ×1034 cm-2s-1 (Simulation)
kHz / cm2
高輝度環境での安定動作が重要
ATLASの中性子バックグラウンド
ヒットレート @ L = 7×1034 cm-2s-1
15kHz/cm2
中性子フラックス
O(100) kHz/cm2
SW
2014/09/19
日本物理学会2014年秋季大会
4
Micromegas
Micro-mesh gaseous structure
5 mm
128 μm
- '%
./)" 0/, ( 1*
ドリフト領域
!%
220' +
$%
&' ( )$ *+,
! "#
! 676)899:
3*014( 5/)*2*&/' ( 1*+
Gas
Ar 93 % + CO2 7%
-300 V
Strip pitch
400 μm
GND
Gain
O( 104 )
Drift velocity
5cm/μsec
500 V
増幅領域
試作器 (10 cm × 10 cm)
特徴
✓増幅領域が狭い
→ イオンの回収が速く （100nsec)，
高いヒットレートに対応できる
✓ resistive strip を導入
→ 放電に強い
2014/09/19
日本物理学会2014年秋季大会
5
J-Chambers
日本グループで製作したMicromegas 試作器
Chamber
J1 J2
J3 J4
J5 J6
J7 J8
製作時期
2012.11
2013.6
2013.10
2014.5
製作方法
Screen Print
Mesh
Sputtering
Fix
Resistive Pitch
400 μm
増幅領域
100 μm
Removable
200 μm
400 μm
128 μm
日本グループは高抵抗薄膜の製造を担当
構造・製造方法の決定のため，ビームテストを実施
・ 荷電粒子ビームを用いた性能評価
・・・ 次の講演 19aSH-9
・ 中性子バックグラウンドの影響評価
・・・ 本講演
2014/09/19
日本物理学会2014年秋季大会
6
中性子ビームテスト
ATLASの中性子バックグラウンドによる放電が懸念される
高速中性子を用いたビームテスト
テスト項目
中性子環境下における
イオン源
目的
✓Micromegasの放電耐性
放電率，放電時間
タンデム加速器
加速器，ビーム，ターゲット
Micromegas
✓Cosmic Test
Efficiency , 位置分解能
中性子のエネルギー :
〜5MeV (Max 7.4 MeV)
2014/09/19
2014年7月，1月， 2013年6月
@神戸大学海事科学部
ターゲット (9Be)
9Be
日本物理学会2014年秋季大会
+ d (3MeV) → 10B + n
7
中性子フラックス
60 cm
Chamberでの中性子フラックス測定
7.5 cm
液シンdata
PSD
ターゲット
中性子ヒットレート@液シン
液体シンチレータ
Geant4
角度分布，液シンefficiency
中性子フラックス @ Chamber
Chamber
ターゲットからは中性子とγ線が放出
ATLASの中性子フラックス： O(100) kHz /cm2
ビームテストでの中性子フラックス : 30 – 300 kHz /cm2
ATLAS環境に匹敵するフラックスが得られた !
2014/09/19
日本物理学会2014年秋季大会
8
放電率測定 セットアップ
ターゲットから7.5cm の距離にChamberを設置
液体シンチレータ
取得したデータ
Front end card (APV25)
Current Monitor
Anode HV のcurrent
→ CAMAC
Micromegasの信号
→APV → SRS
Micromegas
液シン
→ CAMAC
HV ( Anode ,Cathode)
9Be
ターゲット
変化させたパラメータは３つ
10分ずつ測定
2014/09/19
deuteron beam
・ビーム強度
・Chamber
・Anode HV (460V 〜 550 V)
日本物理学会2014年秋季大会
9
放電
放電がどれぐらいおきたのか？
Current Monitor
増幅領域のCurrentをチェック
← Anode HVのCurrent Monitor
Threshold
Base Line
用いた放電の定義
1秒あたりにThresholdを超えた回数
Threshold = Base Line + 0.6μA
放電継続時間
放電時間：Thresholdを超えていた時間
放電時間は 〜100 msec
連続放電でも数秒程度
安定した動作が可能！
2014/09/19
日本物理学会2014年秋季大会
10
放電率
異なるフラックスで比較
Gain 3 〜5 ×104 でEfficiency 〜100 %
放電率 < 0.1 Hz @ 100 kHz/cm2
放電時間 0.1sec
→ Efficiency > 99%
2014/09/19
異なるChamberで比較
J3, J4の構造は同じだが放電率が異なる
Chamberの内部状態の影響が大きい
（メッシュ，ストリップの状態，ゴミ）
日本物理学会2014年秋季大会
11
中性子環境下でのCosmic test
◆中性子の存在下で
Micromegasのパフォーマンスを調べる
Micromegas (MM) 試作器 8台
表・裏交互に配置
シンチレータ
Beam
MM
中央に中性子源のターゲット
シンチレータ3枚のコインシデンスでトリガー
Target
ビーム強度を変化させ ( 15時間 ずつ）
✓ Efficiency
✓ Position Resolution
の変化をみる
MM
シンチレータ ×2
2014/09/19
日本物理学会2014年秋季大会
12
まだです。すみません。
中性子の影響
Currentの上昇
beam on で
current が上がる図
チャージアップによる Gain の減少
beam on/offで
チャージの比較
これらがパフォーマンス(Efficiency ,位置分解能）に影響するのかを調べた
2014/09/19
日本物理学会2014年秋季大会
13
Efficiency, 位置分解能 の変化
Position Resolution
Efficiency
Preliminary
J3使わないと悪くなる
〜 150μm
Preliminary
もっとよくなる
中性子フラックス XX kHz/cm2でも，
Efficiency XX% を維持
中性子バックグラウンドによる
変化は見られない
→ ATLASでも問題ない
2014/09/19
日本物理学会2014年秋季大会
14
まとめと展望
まとめ
中性子ビームを用いてMicromegasのパフォーマンスを評価
− 放電率 < 0.1 Hz @ 100kHz/cm2 , 放電時間 〜100 msec
− Efficiency ・・・・
− 位置分解能 ・・・ 変化は見られない
ATLAS環境でも問題なし！
今後の展望
● 今回の中性子は数MeV
→ 異なるエネルギーでパフォーマンスの確認
●中性子以外のバックグラウンド の影響の評価
● Aging test による耐久性の評価
2014/09/19
日本物理学会2014年秋季大会
15
BACK UP
2014/09/19
日本物理学会2014年秋季大会
16
threshold
0.6 μA
0.3 μA
Slow
Total
Gamma
Neutron
ここの時間
2014/09/19
日本物理学会2014年秋季大会
17
波形弁別 (PSD)
Neutron
Gamma
2014/09/19
日本物理学会2014年秋季大会
18
LHC-ATLAS
▶ LHC加速器
p-p衝突型加速器
重心系エネルギー8TeVで稼働
現在シャットダウン中
ATLAS
LHC
全長 約27km
▶ ATLAS実験
ATLAS検出器
・2012年にヒッグス粒子を発見
2014/09/19
日本物理学会2014年秋季大会
19
Cosmic Test - Efficiency
J4のefficiency をみる。
・自分とJ3（eff〜0.3）以外にすべてhit
・( J5,J6で引いたトラックとJ8とのresidual ) <0.15
の要求を満たしたものをCosmicとする(分母）。
TC 200nA
J4にヒットがあったかどうかの判定(分子）は，
( J5,J6で引いたトラックとJ4とのresidual ) < 3
Track (J5,J6) と J8のresidual [mm]
これで出したEfficiencyが次のページ。
ただし，これだとCosmicだと思っているものに，backgroundも入ってしまうので悪くなる↑。
J3を使うと統計がきつい。
Backgroundを見積もれば，もっとよくなるはず。
20
217/218
162/164
91/96
21
Cosmic Test - Resolution
J5 のresidualをJ3,J8のトラックを使ってみる
J6もそのトラックから1.4 mm以内にあることを要求して，cosmicを選ぶ
no beam
TC 100nA
TC 200 nA
σ 〜 110μm
J3はおそらくカソードにHVがかかっていないため，efficiencyが悪いが，
J3を使うと位置分解能は良くなる。他の組み合わせでも。
カソードにHVがかかっていない
-> 128μmの領域でしか反応しない
-> 電子の広がりが小さい
-> 位置分解能がよくなる ??
J3は使わないほうがよいのでしょうか？その場合おそらく150μm〜200μm ぐらい
22