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修士学位論文 ATLAS 実験に用いる ミューオントリガーチェンバー TGC の 検査設備の構築および ガスシステムの開発. 物理学専攻 奥村和恵 2003 年 2 月 20 日. contents. Introduction ガスチェンバーとしての TGC Cosmic Ray Test のガスシステム ・ TGC ・ Drift tube 動作結果 まとめ. LHC 加速器. スイス CERN で 2007 年実験開始予定 陽子・陽子衝突型加速器、周長 27km 重心系エネルギー１４ TeV
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修士学位論文ATLAS実験に用いるミューオントリガーチェンバーTGCの検査設備の構築およびガスシステムの開発修士学位論文ATLAS実験に用いるミューオントリガーチェンバーTGCの検査設備の構築およびガスシステムの開発 物理学専攻 奥村和恵 2003年2月20日
contents • Introduction • ガスチェンバーとしてのTGC • Cosmic Ray Testのガスシステム ・TGC ・Drift tube • 動作結果 • まとめ
LHC加速器 • スイスCERNで2007年実験開始予定 • 陽子・陽子衝突型加速器、周長27km • 重心系エネルギー１４TeV • Luminosity:1034cm-2s-1 • 目的：Higgs粒子の探索 周長27km
ATLAS測定器 • LHCに設置される測定器 • Size:直径22m、長さ44m、総重量7000t • 高エネルギー粒子汎用測定器 • バックグラウンドが大きい • 構成 • ・内部飛跡検出器 • ・カロリーメータ • ・ミューオンスペクトロメータ • (トリガー用、 • ミューオン飛跡精密測定用） ・放射線耐性が必要 ・トリガーが重要 ・μはきれいなシグナルが期待される
ミューオントリガーチェンバー TGC、RPC→日本ではTGCを製作 • 要請 • 大面積（エンドキャップ；約6600m2）を 覆うことができる • 2次元読み出しである • 物質量が少ない （多重散乱を防ぐ） • 衝突時間判定が可能 (バンチ間隔：25ns) • High Rate耐性がある • コスト →ガスチェンバー
Anode wire イオン化 →Drift →電子雪崩 ガスチェンバーの動作原理 • 増幅過程 • ゲイン（増幅率） 2次電子 1次電子 • Drift 時間を短くする Drift距離を短くする Drift速度の速いガスを選ぶ • 空間電荷効果 不感時間をなくすには 陽イオンがかそーどに 速く到達するようにする ゲインの小さいガスを選ぶ cathode plane → → ガス増幅
TGC(Thin Gap Chamber) ＜TGCの構造＞ ・ワイヤー間隔：1.8mm →ドリフト時間を短くする 時間分解能、バンチ識別 ・アノード・カソード間隔：1.4mm →陽イオンが速くカソードへ到達 高レート耐性：1kHz/cm2 ・カーボン面抵抗：1MΩ/□ ・2次元読み出し
電子雪崩 γ ギャップが小さい 1次電子が少ない→ゲインの大きなガスを用いる ギャップ間の変化→制限比例領域 光子による放電→強力なクエンチャー 充填ガス：CO2+n-Pentane(55:45) ゲイン：105~106
神戸での量産と検査 KEKで1056台のTGCを製作 ↓ 製作されたＴＧＣ全ての性能検査 ・リークテスト：気密性 ・HVテスト：Leak Current ・Cosmic Ray Test ： TGC全面のefficiency ・ガスチェンバー（TGC,Drift tube)の動作にはガスシステムが不可欠 ・長期間安定に運転するシステムが必要
TGCガスシステム • システムを組む時の留意点 ・n-Pentane：常温で液体 有機化合物を侵食 ・液化対策 ・配管材 • ガスシステムに対する要請 ・CO2+n-Pentane(55:45) ・低圧で分配 ・圧力モニター及び安全系 ・長期間安定したシステム 流量モニター 安全系 Mixer ガス分配
ガスの混合 1atmでCO2:n-Pentane=55:45 ・恒温槽でガスを混合 →CO2、n-Pentaneの流量コントロール ・液体n-Pentaneは恒温槽で気体にする（ヒータ:40℃） ・SUS配管 ・長期間安定したガスを供給 →流量モニター 恒温槽
混合ガスの分配 • 8系統 • 低圧分配 • 流量調節 ニードルバルブ：圧力差 →Mass Flow monitor +バブラー • Mass Flow Meterの値は記録 (1系統に70~100mℓ/min程度)
TGCガスシステムの安全系 TGC:0.6kPa overで接着剤が剥離 →0.3kPa overで圧力系safetyが作動
n-Pentaneの性質と配管 • 液化対策 CO2+n-Pentaneは14℃で液化 ・Cosmic Ray Testスペース：エアコンで架台周辺の温度一定（約28℃） ・コントロールパネル：周囲を発泡ウレタンで囲み、放射冷却を防ぐ ・排気口付近：銅管にリボンヒーターを巻き、断熱材で覆う(30~35℃） →これらはすべて温度モニターされている • 配管材 n-Pentaneは有機化合物を侵食 ・基本的にSUS配管 ・配管の難しいところはPFAチューブ使用 ＊PFA：フッ素樹脂 耐薬品性、耐熱性、耐食性に優れている
Drift tubeの構造 宇宙線の飛跡を検出 ・直径：50mm、厚さ：2mmのアルミパイプ ・長さ X方向：2m、 Y方向：2.5m (1本あたり X方向：3.7ℓ、Y方向：4.6ℓ） ・アノードワイヤー： 直径50μm金メッキタングステンワイヤー ・出力波高が一次電子の数によらない →動作領域：制限比例領域 ・Drift velocity（∝E/P)：一定 圧力モニター必要なし 充填ガス：Ar+ethane(50:50) Drift velocity:5cm/μs ゲイン：105~106 印加電圧：3.5kV Anode wire
Drift tubeガスシステム • Drift tube計428本(1.7kℓ）を何系統かに分けて直列につなぐ →24系統、１系統あたりDrift tube 15~20本（１系統70ℓ） • ガスリーク→大気圧＋αかける • 流量コントロール →2cc/minに絞って流す • 長期間安定したシステム
1.0 検出効率 0 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 HV[kV] Drift tubeの動作結果 • 検出効率 ・ 99%でプラト→印可電圧３．５ｋV ・ 位置依存性はない Trackingを行うのに 充分な検出効率を持つ
・Trackingに有効なイベントの割合 Tracking efficiency(%)= 有効なhit patternを持つイベント 全イベント数 →1層で 90%、4層全体で70~75% ×100 ｄ • 空間分解能 →全体でσ＝約350μm Trackingに必要な位置分解（<1mm) を満たしている。
Cosmic Ray Test 宇宙線を用いてTGC全面の検出効率を調べる ＜セットアップ＞ • Scintillation Counter:上下各22本 • Drift Tube: 上下ＸＹ各3層、計428 • 有感領域：1500mm×1940mm 2週間で８units同時に検査 →長期間安定に運転するシステムが必要
＜検査方法＞ • ScintillationCounter:Trigger • 上部全面のor • 下部全面のor • Drift tube:Tracking drift時間→drift距離 上下XY各3層→3次元track ｃoincidence TGCのhit 全track数 →不感領域を除いて99%以上、 全体で95%以上を合格とする efficiency(%)= ×100
Cosmic Ray Testの検査結果 • efficiency→3.0ｋVで印加 • 3.0kVでのefficiency map →efficiencyが確認できる
まとめ • 以下の要請を満たすようなガスシステムが構築できた • TGC ・圧力コントロール ・リーク対策 ・液化対策 ・検出効率の検査を行うのに充分な性能を持っている • Drift tube ・流量コントロール ・ガスリーク ・Trackingに充分な性能を持っている • 検査期間中の動作 ・ゲインの低下による efficiencyの低下は見られなかった。 ・検査中に安全系が動作したことはない。 →システムの安定動作の実現 充分な性能を持ち、長期間安全に動作可能なガスシステムが 構築できた。
LHCの物理(予備） • メインテーマ：Higgs粒子の探索 Higgs粒子：標準理論で予言された粒子の中で 唯一存在を確認されてない粒子 • ALAS測定器では80GeV～1TeV探索可能
The interaction of various particles with the different components of a detector:
