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J-PARC E15実験における TGEM-TPCの開発 @理研

J-PARC E15実験における TGEM-TPCの開発 @理研. 佐久間　史典　 ( 理研 ) 徳田　真　 ( 東工大 M1) 大西　宏明　 ( 理研 ) 岩崎　雅彦　 ( 理研 ). J-PARC E15 実験 E15 での TGEM-TPC TGEM について 理研での TGEM の現状 まとめ・これから. J-PARC E15 実験. deeply-bound kaonic nuclear states exist?. T.Yamazaki , A.Dote , Y.Akiaishi PLB587,167(2004 ). KEK-PS.

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J-PARC E15実験における TGEM-TPCの開発 @理研

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  1. J-PARC E15実験におけるTGEM-TPCの開発@理研 佐久間　史典　(理研) 徳田　真　(東工大M1) 大西　宏明　(理研) 岩崎　雅彦　(理研) • J-PARC E15実験 • E15でのTGEM-TPC • TGEM について • 理研でのTGEMの現状 • まとめ・これから

  2. J-PARC E15実験 deeply-bound kaonic nuclear states exist? T.Yamazaki, A.Dote, Y.Akiaishi PLB587,167(2004). KEK-PS RHIC, LHC QGP J-PARC? neutron star Y.Akaishi & T.Yamazaki, PLB535, 70(2002). W.Weise NPA553, 59 (1993).

  3. Formation Decay • search for K-pp bound state • using 3He(K-,n) reaction neutron 3He K-pp cluster K- Missing mass Spectroscopyvia neutron Mode to decay charged particles p L exclusive measurement byMissing mass spectroscopy and Invariant mass reconstruction p- Invariant mass reconstruction p at J-PARC

  4. Sweeping Magnet Beam Line Spectrometer Beam trajectory K1.8BR Beam Line CDS & target neutron Neutron Counter flight length = 15m Neutron ToF Wall p n Beam Sweeping Magnet p- p Cylindrical Detector System 1GeV/c K- beam

  5. E15でのTGEM-TPC important to measure not only non-mesonic decay mode but also mesonic decay mode to improve z-resolution, Thick-GEM TPC will be installed

  6. design • located between CDC and target-chamber • cover the CDC acceptance of AUVA • minimum materials in the acceptance • 1mm spatial resolution in the z-direction

  7. field strip ~500mm • flexible print circuit board • 8mm strip • 10mm pitch • double sided f280mm f170mm ~300mm R/O pad field cage これから作成・2月には完成予定 / よろしくお願いいたします林栄さん

  8. Prototype of Readout-Pad for preamp through-hole 20mm 4mm ASD-chipを用いて、時間情報のみを取り出す preamp arrangement

  9. Filed calculation Maxwell-2D calculation potential electric field

  10. Garfield calculation contours of potential drift-line of electron gas:P10, B=0.5T

  11. Expected performance • assumption : • gas = P10, 1atm • E = 150V/cm •  Cdl = 0.34mm, Cdt = 0.60mm • s0l = 0.5mm • s0t = 0.2mm • Neff = 38.7*0.4(cm) = 15.5 resolution sx : total resolution s0 : resolution w/o diffusion Cd : diffusion constant z : drift distance Neff : effective number of electrons however, f-direction resolution is limited by pad size, e.g., 20.0/sqrt(12) = 5.8mm

  12. TGEMについて • Thick-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(はず) • 「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 • 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)、大面積を覆える可能性 • 電極やインシュレーターの素材を変えることによって、さらに安定したTGEMを作ることが出来る可能性 10cm 10cm HV TGEM@RIKEN 500mm etched and drilled patterns are not centered systematically!

  13. 理研でのTGEMの現状 林栄精器にて以下の6種類のTGEMを作成 #5 RETGEM Carbon(graphite) electrode

  14. 500mm #0 400mm, w/ Rim #1 400mm, w/ Rim #2 400mm, w/o Rim #3 200mm, w/ Rim #4 200mm, w/o Rim #5 400mm, w/o Rim Carbon electrode

  15. setup test chamber 55Fe drift mesh 11mm Edrift TGEM #1 2mm Etrans TGEM #2 2mm Einduct R/O pad  ASD readout pad • gasはP10, 1atmを使用 • HV dividerは抵抗チェーンで作成 • 測定はASD(t=80ns)のアナログ出力と生シグナル • effective gainは生シグナルから計算して導出 •  ASDシグナルを用いてスケール

  16. effective gain of #0 sparkが見られる 目標 : 実際に掛けるVthを考慮すると、ASDのp.h~150mV以上で安定動作

  17. raw signal, ASD signal, ADC of #0 Double TGEM #0 P10, 1atm DVGEM = 1225V HV-type1 55Fe X-ray Double TGEM #0 P10, 1atm DVGEM = 1225V HV-type1 55Fe X-ray raw signal ASD signal gain~1.1x104 ADC Double TGEM #0 P10, 1atm DVGEM = 1111V HV-type2 55Fe X-ray res~16%(s)

  18. Einductdependenceof #0 DVGEM = 1300V foil-GEMとは異なり、gainの上がり方がものすごい foil-GEMでは8kV/cm程度までlinear-scaleで上昇 [S.Bachmannet al., NIM A438, 376 (1999).]

  19. Einduct/Etransdependenceof #0 HV dividerは右の3種類を試す sparkが見られる ASD-analogの限界 予想通り、Einductを上げることにより安定にgainを稼ぐことが出来る

  20. TGEM dependence of #0,1,2,3,4,5 sparkが見られる GEM #4 (200mm, w/o Rim)はsignal見えず GEM #2,3はraw-signal見えないため表示無し 200mm TGEM はP10,1atmでは使えない!

  21. raw signal, ASD signal, ADC of #5(Carbon) Double TGEM #5 P10, 1atm DVGEM = 911V HV-type2 55Fe X-ray Double TGEM #5 P10, 1atm DVGEM = 911V HV-type2 55Fe X-ray raw signal ASD signal gain~6.9x103 ADC Double TGEM #5 P10, 1atm DVGEM = 889V HV-type2 55Fe X-ray res~12%(s)

  22. Einduct/Etransdependenceof #0,1,2,5 sparkが見られる [w/ Rim]はgainでlimit、[w/o Rim]はHVでlimitされるようだ

  23. time dependenceof #0,1,2,5 Cu electrodeでは時間と共にgainが下がる  1時間程度で落ち着く

  24. その他気がついたこと • sparkの後は、gainが上がる(大きいと2倍程度)ように見える • 特にRim有りはその傾向が強い • 　回復に0.5~1.5時間程度を要する • Einductを上げすぎると、(当たり前だが)parallel plate multiplication が起こる • GEMのゆがみのせいでpadに近くなって以下のような状態になった • Rim有りのTGEMは、原因不明で結構大きい+chargeのsignalが見える • 　固定をしっかりすることによりある程度減るが、完全に無くならない… Double TGEM #2 P10, 1atm DVGEM = 902V HV-type2 55Fe X-ray

  25. まとめ・これから • J-PARC E15はK中間子原子核を探索する実験である • Z-vertex-resolution向上のためのupgradeとして、TGEMを用いたTPCを開発中である • 400mm TGEM、RTGEMは(使い方を間違わなければ)十分実用レベルに達していると思われる • GEMの均一性? • ion-feedbackのstudyを行う  結果によってはfilterとして3枚目のTGEMを導入 • RETGEMもう少し頑張る • 実機での使用を仮定して、90Srを用いて外部トリガーによる評価を行う • 実機に向けたTGEMの仕様決定・デザインを行う • 2009年夏、TGEM-TPCは完成予定

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