J-PARC E15実験における
バーテックス検出器
(TGEM-TPC)
に用いる
TGEMの開発
• J-PARC E15実験の概要
• バーテックス検出器の必要性
• TPCのデザイン
• TGEMについて
• TGEMの実験状況
• まとめ・これから
徳田 真（東工大
M1）
佐久間 史典（理研）
大西 宏明
(理研)
岩崎 雅彦（理研）
J-PARC E15実験
・K中間子原子核で最も簡単な構造を持つ、K-pp束縛状態を探索する
・Missing massとInvariant massを同時に測定する
K- 3He Formation Decay K-pp cluster neutron Λ p p π-
Mode to decay charged particles
Decay 1GeV/c K- beam Cylindrical Detector System Beam Sweeping Magnet p π- p n E15実験detector setup Neutron ToF Wall
バーテックス検出器の必要性
K-pの束縛状態であると考えられるΛ(1405) はΣ粒子とπ中間子に崩壊するため、 K-pp束縛状態もΣ粒子とπ中間子と陽子 に崩壊すると考えるのが自然である。 ・ビーム方向に１mm以内の位置分解能 ・低物質量(CDSの内部に設置されるため) Σ粒子を識別することが重要である よって
Z方向バーテックス検出器(ZVC)が必要
Λ→pπ-崩壊に対するビーム方向位置分解能 10-1 1 10 102 14 12 10 8 6 4 2 0 ZVC z-resolution[mm] σ z [mm ] そこで 設計当初のCDSでは Σ±→π±+nを同定するにはビーム方向（z方向） に対する位置分解能が不足していた。 しかしTPCのデザイン
CDS : Cylindrical Detector System
TGEM TPC ~500mm drift length ~300mm φ280mm φ170mm
for preamp
Field cagefield strip
• FPC基盤 • 8mm strip • 10mm pitch • double sidedThick-GEM
• R/O前の増幅器 として用いる • イオンフィード バックを抑制する 可能性があるR/O pad
pad size 4mm×20mm
表面 裏面
TGEMについて
TGEM@RIKENThick-GEM、TGEM、THGEM
・ロバスト(強靱)、シンプルな製造工程、1枚あたりのゲインが高い ・double-clad G10(FR4)基盤を材料に、通常のPCB技術を用いて安く作ることが出来る ・foil-GEMに比べて、取り扱いが楽、オペレーションが楽(多少の放電で死なない) ・「穴」はドリルで空け、放電防止の「穴の周りの逃げ(Rim)」はケミカルエッチングで空ける Rimがあるとgainを高くまであげることができる しかし、チャージアップによる動作不安定性がある事が知られているRim 100µm
・しかしながら、TGEMの基本性能は
それほど良くわかってないので、更なる検証が必要
TGEM断面図と電気力線 Garfieldによるシミュレーション 電子雪崩 厚さ:400µm ΔVGEM∼1kV 増幅HV
TGEM# #0 #1 #2 #3 #4 (Resis2ve) #5
厚さ[µm] 400 400 400 200 200 400 穴の直径[µm] 300 300 500 300 500 300 Rim[µm] 100 50 No 50 No No
穴のピッチ [µm] 700 600 600 600 600 700 大きさ [cm2] 10 x 10
使用した
TGEMのパラメーター
林栄精器にて以下の
6種類のTGEMを作成
#5 RTGEM Carbon(graphite) electrode特性：放電に強い
TGEM Cu electrode 厚さ:400µm or 200µm 穴径:300µm or 500µm Rim:有り or 無し 極板:銅 or Carbon 重要なのはTest chamber setup
test chamber
11mm 2mm 2mm drift mesh TGEM 1 TGEM 2 R/O pad 出力 Edrift Etrans Einduct 55Fe
gasはP10, 1atmを使用
HV dividerは抵抗チェーンで作成 pad16ch分を1つにまとめて出力 測定は生シグナルとプリアンプ(τ=80ns) のアナログ出力をオシロスコープorADC に入力R/O pad
HV dividerADCスペクトラム res~10%(σ)
実際のシグナルと目標
生シグナル実際に掛ける
Vthを考慮して、
effective gain ~1×10
4で安定動作
TGEM studyにおける目標 gain 2.0×104 プリアンプアウト プリアンプ 実機では読み出し回路として Amplifier-Shaper-Discriminator (ASD) を使用し、時間情報のみをTDC読み出しに 限って行う。 Double TGEM #5 P10, 1atm ΔVGEM = 944V 55Fe X-rayEdrift=150V/cm
ΔVGEM : Etrans : Einduct
1 : 2.5 : 5
TGEM# #0 #1 #2 #3 #4 (Resis2ve) #5
厚さ[µm] 400 400 400 200 200 400
穴の直径[µm] 300 300 500 300 500 300
Rim[µm] 100 50 No 50 No No
TGEMのパラメーターによる違い
gainが低い 厚さ400µmで穴径300µm以外のTGEMはgainが低いので使えない TGEM#0,#1は目標gain~1×104に 達している しかし ・Rimによるチャージアップの問題 ・Carbonは放電に強い RTGEM(#5)も使えるようにしたい そこでもう少し
gainを上げる必要がある
Rimの大きさによって Maxgainが高くなっている sparkが見られる 105 104 103 102 ef fective gain 700 800 900 1000 1100 1200 1300 ΔVGEM[V] gainは生シグナルから計算して導出 プリアンプアウトを用いてスケールEdrift=150V/cm
gainを上げるために1
[S.Bachmann et al., NIM A438, 376 (1999).]
によれば、 foil-GEMでは8kV/cm程度までEinduct に対しlinear-scaleでgainが上昇する ΔVGEM Einduct 1200V 変化 TGEMでは左のグラフのようにEinduct に対しgainの上昇の仕方がすごい
E
inductを上げる事によってgainを上げることができる
ΔVGEM=1200V 104 103 102 ef fective gain 0 1 2 3 4 5 6 7 Einduct[kV/cm] 薄いGEMとの違い 11mm 2mm drift mesh TGEM R/O pad Edrift Einduct55Fe Single GEM setup
TGEMを1枚にして ΔVGEM=1200Vで
Edrift=150V/cm
ΔVGEM : Etrans : Einduct
type1 1 : 2.5 : 2.5 type2 1 : 2.5 : 5 type3 1 : 2.5 : 6.25 type4 1 : 2.5 : 7.5 11mm 2mm 2mm drift mesh TGEM 1 TGEM 2 R/O pad Edrift Etrans Einduct
55Fe Double GEM setup
RTGEMでもE
inductを上げる事で目標
gain1×10
4到達できた
1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 750 800 850 900 950 1000 gain ΔVGEM[V] Einduct dependence RTGEM(#5) type1 type2 type3 type4 105 104 103 102 10 effective gain ΔVGEM[V] 750 800 850 900 950 1000 spark
gainを上げるために2
RTGEM(#5)を2枚にし Einductの比率を変えた HV dividerを4種類作成 ΔVGEMを変化させて 測定を行った gain ΔVGEM[V] Etrans dependence type2 type2‐2 type2-2 1 : 5 : 5 Etransを変えても変化なし(corrected by P/T[hPa/K]) #0 gain 2.0×104 #0 gain 4.0×103 #5 gain 2.0×104 #5 gain 4.0×103 #0 gain 2.0×104 #0 gain 4.0×103 #5 gain 2.0×104 #5 gain 4.0×103 peak相対値の時間依存性 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
corrected relative gain
0 4 8 12 16 20 24 0 4 8 12 16 20 24 50 40 30 20 10 0 resolution( σ )[%] time[h] time[h] エネルギー分解能の時間依存性 Edrift=150V/cm
RimのないRTGEMはgainとエネルギー分解能ともに安定している
ΔVGEM : Etrans : Einduct
type3 1 : 2.5 : 6.25
type4 1 : 2.5 : 7.5
時間依存性
TGEM# #0 (Resis2ve) #5
Rim[µm] 100 No
HV divider type3 type4
gainによってチャージアップの仕方が違う
まとめ
E15実験におけるCDSのビーム方向位置分解能向上のための
upgradeとして、TGEMを用いたTPCを開発中である
TGEMについて
・
RimのあるTGEMは
gainを容易に高くすることが出来る
が、
チャージアップのため長時間では
動作が不安定
になる
・
RimのないRTGEMはE
inductを上げる事で
gainを高くでき
、
長時間でも
安定に動作する
事がわかった
・
ion-feedbackのstudyを行う
・
4月後半から実機でのstudyを開始する
・
2009年夏、TGEM-TPCは完成予定
これから
実機の増幅器としては
RTGEMを用いる
p/T dependence single GEM of #0
peak ratio 補正前 peak ratio 補正後 P/T 補正曲線 GEMのgainはP/Tで変動するのでそれを考慮する必要がある 関係性がある 補正
1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 gain ΔVGEM[V] Einduct dependence TGEM w/Rim type1 type2 type3 type4 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 750 800 850 900 950 1000 gain ΔVGEM[V] Einduct dependence RTGEM type1 type2 type3 type4 105 104 103 102 10 effective gain ΔVGEM[V] 750 800 850 900 950 1000 105 104 103 102 10 effective gain ΔVGEM[V] 900 1000 1100 1200 1300 一定のΔVGEMを 超えるとsparkしだす ＝電圧による限界 一定のgainのを 超えるとsparkしだす ＝増幅の限界 Edrift=150V/cm
ΔVGEM : Etrans : Einduct
type1 1 : 2.5 : 2.5
type2 1 : 2.5 : 5
type3 1 : 2.5 : 6.25
type4 1 : 2.5 : 7.5
Spark rate #5
gain 2×104 0.010560Hz
