GEM を使った TPC の開発

1. GEMを使ったTPCの開発 新井聡，池松克昌，宇野彰二，加藤幸弘，木島智広，　　　黒岩洋敏，小林誠，佐貫智行，杉山晃，高橋徹，土井昌宏，中村圭一，仁藤修，藤井恵介，松田武，宮崎敦宏，　　　　山口敦史，山口満弘、山村大樹、渡部隆史，マーカス、ロン,ジュン、ローズ 佐賀大、KEK、筑波大、農工大、工学院、東大、近畿大、 広島大、ミンダナオ、DESY、MPI GLC-CDC group 登壇者　坂元 宣友 　　（佐賀大学）

2. Introduction ILCの大型測定器では、飛跡検出器としてTPCを検討している。 TPCサイズ：　外径　～２m 　　　　長さ　４ｍ超 　　　　必要な位置分解能　１５０μm（ｒφ方向）　 センサー部分はMPGD（Micro Pattern Gas Detector）を検討 MPGDの利点（MWPCとの比較） 　　　　･　チャージの広がりが少ない 　　　　･　E×Bの効果が少ない 既存の方法であるMWPCでの究極の性能の試験はプロトタイプのチェンバー（MPI）でおこなわれた。（前のセッションで報告ずみ） 同じ条件でセンサー部分をMPGDへ交換し、比較試験をおこなう。

3. Beam test setup • 　ＫＥＫのπ２ビームラインにて実験 • 　チェンバーのすぐ後ろにトリガーカウンターを設置 • 　磁場がないときのみの測定 • 　ガスはP-10を使用 （MWPC/TPCテストのビーム下流にチェンバーをセットしてデータ収集） チェンバー設置点 ビ－ム ビームライン 使用したチェンバー

4. 拡大概略図 10x10cm2 (cern GEM) GEMとは 円錐形の穴はケミカルエッチングによるもの。 両端の電極間に電位差を与えることにより、穴の中に高電場をつくり、ガス増幅を起こさせている。

5. 天板 GEM間の距離 23.5mm 1.5mm 1.5mm GEM３ GEM２ 10MΩ GEM１ 10MΩ 1.0mm GEM GND 10 or 30 or 50MΩ 読み出しパッド チェンバー内セットアップ • GEM 間の電場は約 2kV/cm • GEM1と読み出しパッド間の電場 は、約 3kV/cm ドリフト領域 • GEMは1枚ごとに独立に電圧を制御す • ることが可能 GEMの両電極間の電位差をVGEM HV VGEM

6. この方向の列をレイヤーとする 6mm 2mm 0.3mm 読み出しエレキ 0.3mm 10cm beam BelleCDCのpreAMP：300mV/pc postAMP：10倍 10cm 読み出しパッド MPI/TPCで使用しているパッドと同じ 全１６レイヤー中、６レイヤー 読み出し。　エレキの関係上 各レイヤー、中心の４パッドのみ読み出し　　　　　で囲った部分。

7. Gain vs. HV 10000 1000 AMPのサチュレー ションのため 100 280 300 320 340 360 トリプルGEMの動作確認 X線（55Fe5.9keV）を使用して動作確認 立ち上がり時間：～２０nsec 100nsec 55Fe5.9keV X線のシグナル VGEM (V)

8. （ ） ΣADC i･Y i ADC i : 各パッドのADC C.O.G.＝ ΣADC i Y i : 各パッドの中心位置 ADC １×０＋２×１＋３×３＋４×１ C.O.G.＝ ０＋１＋３＋１ 3 ＝　３ 2 　　となる。 1 12 3 4 ヒットポジションの決め方 • 　各レイヤーのヒット点の決め方 下記の式で得られる、パッドのADCの重心（C.O.G.）により求める。 （例） １つのレイヤーで、下図のようにパッドのADCが測定されたとき、 上記の式から、 C.O.G. パッド このような感じで、各レイヤーのヒット点を決めた。

9. ヒット位置分布 event数 pad C.O.G. (mm) 式は Y (x) = ax+b (x軸はビーム軸と同じ) とする。 tracking 左図は、１つのレイヤーのC.O.G.分布。 滑らかなビームの広がり　　　　　　　　　　　　　　　＋　　　　　　　　　　　　　　　 パッドの中心に鋭いピーク • tracking ６レイヤー中５レイヤーのC.O.G.をヒット点として、 最小二乗法で直線フィットした。 （分解能の評価の対象となるレイヤーを除く）

10. residual（垂直入射）＃1 • ビームの軸に平行になるようチェンバーをセット position -> C.O.G.（trackingに使用しなかったレイヤーのもの） residual -> C.O.G.－Ytrack event数 σ=190μｍ residual パッドの中心座標 residual Ytrack パッドの中心にtrackが偏っているように見える

11. beam パッドの中心付近を通るtrackは、各レイヤーでシングルヒットになり、trackをパッドの中心に寄せてしまう。 ⇒ こっちもヒット ヒットがあったら residual（垂直入射）＃2 Ｙtrackを1次元分布でみると、やはりパッドの中心 にtrackが集中している。 垂直入射の際、全レイヤーでシングルヒットになるtrackが多い。 Ytrack 垂直入射では系統的な振る舞いにより正確なtrackingはできない！！

12. σ=240μｍ residual residual（斜め入射） • ビームの軸に少し傾けてチェンバーをセット（　～２°） Ｙtrackの1次元分布 residual パッドの中心座標 Ytrack Ytrack 垂直入射の時のような偏ったtrackはない。 Tracking errorを考慮すると位置分解能は210μm

13. response fun. チャージの割合 3 Ｘpad－Ｘtrack 2 1 Ｘpad : 各パッドの中心 Ｘtrack : trackingで求めた関数からの値 response fun. ビーム track Ｘtrack ADC 0 12 3 4 Ｘpad－Ｘtrack 左図より、パッドの中心付近のtrackでは、パッド1つに電子の広がりが収まっていることがわかる。 パッド

14. 2000 １ヒットの割合：約20％ (event数) １000 これより 広がりは約960μｍと想定できる。 0 1234 （パッドの大きさ：2mm） (ヒットのあったパッドの枚数) 電子の広がり分布 σ（μｍ） threshold：ヒットを定義　　　　　　　するもの 約450μm 960μm 中心がもっともpulse heightが高くなる Threshold / peak pulse height 電子のひろがり 0

15. TPCへの適用#1 MPI/TPC 最大ドリフト長27cm MWPC ⇒ トリプルGEMに取り替える

16. ガス（Ar：CH4：CO2⇔９３：５：２） CD 　～500μｍ/ cm (B=0T) ～200μｍ/ cm (B=1T)beam/cr test ～100μｍ/ cm (B=3T)ILC √ √ √ 3000 B=0T σ（μm） 2000 B=１T 1000 B=３T 0 0 10 20 30 ドリフト長（cm） TPCへの適用#2 TPCでの電子の広がり σ＝√σ２＋CD ･Ｚ ２ ０ （σ０：GEMによるひろがり） 電子の分布は複数パッドにまたがってほしい（位置分解能） 基準　：　FWHM＝パッド幅（既存２ｍｍ） σ ～８５０μm B=1Tでは２ｍｍ幅パッドは厳しい!? 　１ｍｍ幅パッドの場合では

17. まとめ • 　今回の測定ではtrackingの評価は１つのパッドに電荷のひろがり　　 が収まるようなポジションがあり、難しい。 • 　磁場中でのTPCへのinstallは今のままでのパッドのサイズでは　 満足のいく評価ができない可能性がある。 パッドのサイズを１ｍｍへ パッドの配列をレンガ状にして系統的な振る舞いの抑制　← 今回はcern製のGEMを使用しての試験だったが、 CNS（東京大学） ＆ 渕上ミクロ株式会社が製作されたGEMについても発展させて試験を行ってく予定である。