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ガス電子増幅器を用いた タイムプロジェクションチェンバー (GEM-TPC) の開発

ガス電子増幅器を用いた タイムプロジェクションチェンバー (GEM-TPC) の開発. 35-36038 　織田 勧　 ( 浜垣研 ). 開発の動機 GEM-TPC の利点 GEM-TPC プロトタイプ ビームテストによる性能評価 まとめ. 1/13. 2005/02/03 修士論文審査会. GEM-TPC 開発の動機. 高エネルギー重イオン衝突実験により高温高密度状態の研究をしたい PHENIX-RHIC-BNL, ALICE-LHC-CERN 高レート、高粒子密度下で使える分解能（位置、近接飛跡、エネルギー）の良い飛跡検出器が欲しい

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ガス電子増幅器を用いた タイムプロジェクションチェンバー (GEM-TPC) の開発

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  1. ガス電子増幅器を用いたタイムプロジェクションチェンバー(GEM-TPC)の開発ガス電子増幅器を用いたタイムプロジェクションチェンバー(GEM-TPC)の開発 35-36038　織田 勧　(浜垣研) • 開発の動機 • GEM-TPCの利点 • GEM-TPCプロトタイプ • ビームテストによる性能評価 • まとめ 1/13 2005/02/03 修士論文審査会

  2. GEM-TPC開発の動機 • 高エネルギー重イオン衝突実験により高温高密度状態の研究をしたい • PHENIX-RHIC-BNL, ALICE-LHC-CERN • 高レート、高粒子密度下で使える分解能（位置、近接飛跡、エネルギー）の良い飛跡検出器が欲しい • 広い横運動量領域(0.2 – 20GeV/c)の粒子に興味があるので磁場は低く抑えたい~1.0T • dpT/pT2~10-3 (GeV/c)-1 • 半径1mの円筒型だとして、位置分解能200mm以下が必要 • 粒子密度が高いので、1cm以上の近接飛跡を識別したい • 以上の要求を満たす飛跡検出器として、信号増幅部にMWPCではなく、ガス電子増幅器（GEM）を用いたTPCが有望な候補に挙げられる 2/13 2005/02/03 修士論文審査会

  3. GEMとは、 NIM A386(1997)531 70 µm • Gas Electron Multiplier • カプトンフォイルの両面を銅で被覆し、穴を開けたもの • ガス中で、両面の銅箔に電圧差をつけると、穴の中に強い電場が生じて、そこを電離されたできた電子が通ると電子雪崩により増幅される • 陽イオンの多くはGEMに吸収される • 増幅率を稼ぐために多段で使用する 140 µm F.Sauli CERN TPC Symposium, Berkeley (2003) 3/13 2005/02/03 修士論文審査会

  4. GEMを用いた TPCの仕組み MWPCを用いた TPCの仕組み NIM A 409 (1998) 9 GEMをTPCに用いる利点 • GEMはMWPCの欠点を解決する • ドリフト領域へのイオンフィードバックが抑えられる • ゲートワイヤーが要らなくなる • 2次元対称性を持つので入射角依存性がない • 穴の中以外では電場は一様なので、磁場中でのE×Bエフェクトが抑えられる • 増幅された電子を見るので信号が空間的に狭いものになる。イオンのテールが無くなる • 位置分解能、近接飛跡分解能が向上すると期待される • 張力が小さくなるので支えを簡素にでき、より少ない物質量で製作でき、大型化し易いと期待される 4/13 2005/02/03 修士論文審査会

  5. GEM-TPCプロトタイプ ビーム方向 • フィールドケージ 35cm(ドリフト方向) x 17cm x 17cm • GEM(3枚) 10cm x 10cm (有感領域), CERN製 • パッド 長方形・ジグザグ 1.09mm x 12mm • ジグザグだとCharge sharingによってヒットするパッドの数が増えて、分解能が向上すると期待されるため • 電荷応答型プリアンプ 時定数1ms • 100MHz FADCで3列×8個=24chを同時に読み出す ビーム方向 5/13 2005/02/03 修士論文審査会

  6. 性能評価のためのビームテスト • GEM-TPCの性能評価のためのビームテストをKEK PS p2ビームラインで行なった • ガスは3種類 • Ar(90%)-CH4(10%)(P10), Ar(70%)-C2H6(30%), CF4 • GEM-TPCの評価項目 • 検出効率(1GeV/c p) • 位置分解能(1GeV/c p) • ビームレートの影響(2GeV/c e,p,p) • エネルギー損失の測定(0.5-3GeV/c、e,m,p,p,d) • 近接飛跡分解能(2GeV/c e,p,p) • 磁場は無し セットアップ 6/13 2005/02/03 修士論文審査会

  7. GEM-TPCの信号 Ar-C2H6, ドリフト長85mm, 長方形パッド 1GeV/c 電子ビームのとき ADC 飛跡 時間(6.4ms=640bin, 1bin=10ns) 7/13 2005/02/03 修士論文審査会

  8. ビームプロファイル 赤: TPCにヒットがある飛跡 青: 検出効率の計算に使った領域 測定結果1:検出効率 • SSDで飛跡を求め、幅1.8mmの領域に入った飛跡に対応するTPCのヒットがある割合を求めたら、ゲインが4000程度で3種のガスとも一定値(97%以上)になった Ar(90%)-CH4(10%) ジグザグパッド Ar(70%)-C2H6(30%) 長方形パッド 8/13 2005/02/03 修士論文審査会

  9. 測定結果2:位置分解能 1. パッド3列ごとに、電荷を重みにした加重平均によりX方向(パッド面内)とZ方向(ドリフト方向)の位置を求めた 2. 前後の2列から求めた位置と真ん中の列での位置との残差から、X方向とZ方向の位置分解能を求めた 結果 • 最も良かったのは、Ar-C2H6で、長方形パッドで、ドリフト長13mmのとき、分解能は80mm(X方向)、310mm(Z方向)だった。 • ジグザグ形パッドでも位置分解能は良くならなかった 9/13 2005/02/03 修士論文審査会

  10. 目的 イオンフィードバックが抑えられるかどうかを検出効率、位置分解能を見ることで調べる ビームスリットの幅を変えることでビームレートを変化させた ビームレートは2.5cm角のプラスチックシンチで数えた ガスはAr-CH4, ドリフト長は85mm 結果 レートを大きくしても(<5000cps/cm2)、高い検出効率が得られた。位置分解能は10%程度悪化した RHIC (Au-Au, √sNN=200GeV) <dNch/dh>|h=0=170, Luminosity=1.4x1027/cm2/s, sinel=7barn 　⇒300cps/cm2 : 衝突点から30cm LHC (Pb-Pb, √sNN=5.5 TeV) <dNch/dh>|h=0~1000, Luminosity~1x1027/cm2/s, sinel~8barn 　⇒1400cps/cm2 : 衝突点から30cm 測定結果3:ビームレートの影響 10/13 2005/02/03 修士論文審査会

  11. 測定結果4: dE/dxの測定による粒子識別 1.0GeV/cのp+の エネルギー損失 • 0.5 ~ 3.0GeV/cの運動量の領域でエネルギー損失を測定した • 増幅率が変動したので、パイオンが計算上の値になるように補正した(最大30%) • ガスはAr-CH4, ドリフト長は85mm • 大型のTPCの場合のエネルギー分解能を、1GeV/cでの測定した分布をもとに評価した • 飛跡が50cmのときに、エネルギー分解能は パイオン で9.1%、陽子で8.0%になると推測される • これはBNLのRHICのSTARのTPCの性能(飛跡長67cm以上で8%)より良い 1.0GeV/cのp+とpの50cmの飛跡で予想される エネルギー損失 pに対して99%の検出効率で、p+のrejection factor 180 p+ p 11/13 2005/02/03 修士論文審査会

  12. 測定結果5: 近接飛跡分解能 Accidental coincidence 2次粒子 • ビームレートを高くして(~4000cps/cm2)、1イベント(6.4ms)の中に複数のヒットがあるようにし、そのヒット間のドリフト方向の距離の分布から近接飛跡分解能を評価した • 散乱で生じる2次粒子はシミュレーションで、accidental coincidenceはフィットにより評価した • ガスはAr-CH4, ドリフト長は85mm • ヒット間の距離が12mm以上だとほぼ100%識別できる • 縦方向の拡散は1mmだが、現在はノイズが分解能を制限している。 青 : 測定した分布 赤 : 予想される分布 (2つの指数関数の和) 12/13 2005/02/03 修士論文審査会

  13. まとめ • 高レート・高粒子密度下で使える飛跡検出器を目指し、GEM-TPCのプロトタイプを製作した • GEM-TPCの性能評価のためにビームテストを行なった • 検出効率 : 3種のガスとも97%以上 • 位置分解能 : 80mm (パッド方向), 310mm (ドリフト方向) (Ar-C2H6、ドリフト長13mm) • ビームレート : 5000cps/cm2でも検出効率、位置分解能の悪化は小さかった(Ar-CH4) • エネルギー損失 : 50cmの飛跡で8-9%の分解能が期待できる(Ar-CH4) • 近接飛跡分解能 : 12mm (ドリフト方向、Ar-CH4) • 実機の導入に向けての課題 • GEM : 放電対策、大型化 • 磁場中でのテスト • シミュレーション • 読み出しチャンネル数を多くしたい • 高速、低ノイズ、小型、安価なエレクトロニクス 要求をほぼ満足している 13/13 2005/02/03 修士論文審査会

  14. Backup Slides B1 2005/02/03 修士論文審査会

  15. 増幅部にワイヤーではなく、 GEM(ガス電子増幅器 Gas Electron Multiplier)を用いたタイムプロジェクションチェンバー GEM-TPCとは パッドに負の電荷が誘起され、 正の電荷がプリアンプに流れ込む。 電子はワイヤーに吸収される。 パッドに正の電荷が誘起され、 負の電荷がプリアンプに流れ込む。 電子はパッドに吸収される。 B2 2005/02/03 修士論文審査会

  16. TPCとは、 • 電場で電離された2次電子をドリフトさせて、2次元の空間情報と1次元の時間情報より、3次元の飛跡を再構成するガス検出器。 • 磁場中で使えば曲率半径より運動量がわかる。 • 電荷(ADC)からエネルギー損失(dE/dX)がわかり、粒子種をある程度限定できる。 • すると、粒子の種類、エネルギー、運動量がわかる。おいしい。 E,B BNL RHIC STAR BNL AGS E910 EOS B3 2005/02/03 修士論文審査会

  17. ガス 増幅率測定のセットアップ 55FeのX線(5.9keV) のスペクトル　CF4 • 性質(拡散係数、ドリフト速度)の異なる3種の ガスを実験に用いた。 • ビームテストとは別に増幅率の測定を行なった。 • 55Feの5.9keVのX線でのエネルギー分解能は10-13%で、統計的ゆらぎの1.3-1.7倍だった。 • 104以上で動作可能であった。 s=13% Magboltzでの計算結果 増幅率曲線の測定結果 B4 2005/02/03 修士論文審査会

  18. 測定結果2:拡散係数 • Pad response functionの幅と、ヒットしたパッドの数から電子の分布の幅を求めた。 • 幅のドリフト長依存性から横方向の拡散係数を求めた。 Ar(90%)-CH4(10%)ガス chevronパッド ドリフト長 20mm(上)、85mm(中)、150mm(下) 単位は mm/√cm B5 2005/02/03 修士論文審査会

  19. GEM-TPCプロトタイプ End cap Field cage 36x17x17cm3 115 strips Gas vessel 60x29x29cm3 GEM3枚 + end plate GEM3枚 B6 2005/02/03 修士論文審査会

  20. 電場の均一性 • GEMの外の部分の電場がはみ出してしまい、ドリフト領域の電場が一様にならないので、それを防ぐためにend plateを作った。 • 電場の一様性は • 10-40m3の領域で<1mmが達成されているので良くない。 • フィールドケージと同じ大きさのGEMを用いるのが一番良い解決策。 B7 2005/02/03 修士論文審査会

  21. フィールドケージとGEMの電圧の調整 • フィールドケージの下端の電圧と、一番上のGEMの電圧を一致させるために、R1とR2の抵抗の値を調整する。GEMは十分なゲインが得られる電圧で、フィールドケージはドリフト速度の極大値もしくは安定に放電せずに動作する電圧に設定した。 B8 2005/02/03 修士論文審査会

  22. 電荷応答 negative negative positive 0 反転 positive • ノイズを減らすために差動出力にした。 • 差動で出力するためと、ゲインを稼ぐためにオペアンプを2つ使った。 • ゲインは3.2V/pC プリアンプその1 B9 2005/02/03 修士論文審査会

  23. プリアンプその2 • 浮遊容量を減らすためにパッドの裏にコネクタを介して挿せるようにした。 • 1枚8chのプリアンプを6枚挿したかったので、厚さを薄くした(13mm)。 B10 2005/02/03 修士論文審査会

  24. 読み出しパッド • Charge sharingによって、ヒットされるパッドの数が増加することにより、分解能が向上することを期待してジグザグ形(chevron)のものも用意した。 B11 2005/02/03 修士論文審査会

  25. Magboltzによるドリフト速度と拡散係数の計算結果Magboltzによるドリフト速度と拡散係数の計算結果 B12 2005/02/03 修士論文審査会

  26. p2ビームラインでのセットアップ S1, GCC beam beam B13 2005/02/03 修士論文審査会

  27. TOFの分解能、ガスチェレンコフ検出器の検出効率TOFの分解能、ガスチェレンコフ検出器の検出効率 • TOFの分解能 : 約100ps • ガスチェレンコフ検出器 : 電子の検出効率98%以上で、パイ中間子のrejection factor 500以上。 B14 2005/02/03 修士論文審査会

  28. +0.5 GeV/c 粒子識別 +0.7 GeV/c • ガスチェレンコフ検出器2台と鉛ガラスカロリメータ1台とシンチレーション検出器のTOFから粒子を識別した。 • +0.5 GeV/c : e, m, p • +0.7 GeV/c : e, p • +1.0 GeV/c : e, p, p • +2.0 GeV/c : e, p, K, p, d • +3.0 GeV/c : p, p, d • -1.0 GeV/c : e, p +1.0 GeV/c +2.0 GeV/c +3.0 GeV/c -1.0 GeV/c GCC1 GCC2 PbGl TOF B15 2005/02/03 修士論文審査会

  29. SSD自身の性能を評価するために4台を一列に並べた。SSD自身の性能を評価するために4台を一列に並べた。 残差から評価した位置分解能は42mm。 検出効率は76.6-99.7% (平均96.0%) Tracking 用のSSD B16 2005/02/03 修士論文審査会

  30. ビームプロファイルとTPCとSSDの相関 多重散乱によって1mm程度ぼかされている B17 2005/02/03 修士論文審査会

  31. Ar+C2H6, ドリフト長85mm, 長方形パッド 1GeV/c 電子ビームのとき GEM-TPCの信号 信号を次の関数でフィッティングした。 B18 2005/02/03 修士論文審査会

  32. Pedestal and Noise • Hit threshold is 4ch. Red 2ch, Green 3ch Blue 4ch, Yellow 5ch • ヒットの閾値を4ch (~6s)に設定した。 • Pedestalはrunごとに決定した。 • コモンノイズは大きくなく、主にFADCモジュールに由来している。 B19 2005/02/03 修士論文審査会

  33. 検出効率 2. TPCの前後の2層のパッドにヒットがあるイベントで、真ん中のパッドにヒットがある割合を求めたら、一定値は99.3%以上に達した(青線) 検出効率を2種類の方法で求めた 1. SSDで飛跡を求め、幅1.8mmの領域に入った飛跡に対応するTPCのヒットがある割合を求めたら、ゲインが4000程度で一定値(97-99%)になった(赤線) ビームプロファイル 赤: TPCにヒットがある飛跡 青: 検出効率の計算に使った領域 B20 2005/02/03 修士論文審査会

  34. Pad Response Function andNumber of Hit Pads • これらから電子の横方向の広がりが推定できる。 B21 2005/02/03 修士論文審査会

  35. 電子の横方向の広がり • 広がりが小さくなるとパッドの幅にpad response functionの幅が制限されてしまうので、ヒットしたパッドの数から電子の広がりを推定した。 • これより横方向の拡散係数(CDT)が求められた。 (mm for 1-cm drift) • Ar-CH4 : 508+/- 7(chevron), 505 +/- 7 (rectangle) • Ar-C2H6 : 317 +/- 4 • CF4 : 107 +/- 6 • sx0はGEMの穴の間隔(140mm)とGEMとパッドの間での拡散でほぼ説明できる。 B22 2005/02/03 修士論文審査会

  36. 電子の横方向の広がり GEMの穴のピッチ140mm, GEM3枚 140mmx√3=240mm B23 2005/02/03 修士論文審査会

  37. 立ち上がり時間と電子の縦方向の広がり B24 2005/02/03 修士論文審査会

  38. ドリフト方向の位置分解能のシミュレーションドリフト方向の位置分解能のシミュレーション • 電子をGaussianの乱数で振って、実際のゲイン、ノイズを模して、離散化してから、到来時間(time zero)を評価し、分解能を見積もった。 • 測定結果(一番良くて0.6ch=6ns)よりだいぶよい。 • 理由はまだわからない。 B25 2005/02/03 修士論文審査会

  39. 残差の分布 X Z B26 2005/02/03 修士論文審査会

  40. 位置分解能 • 位置分解能に寄与している電子の数を評価するために以下の式でフィットした。 • 最初に電離された電子の26%(Ar-CH4), 23%(Ar-C2H6), 58%(CF4)しか寄与していない。 B27 2005/02/03 修士論文審査会

  41. シミュレーションとの比較 B50 2005/02/03 修士論文審査会

  42. 位置分解能と有効な電子の数 シミュレーションでの再現性はあまり良くない。 見かけのNeffは小さくなる B28 2005/02/03 修士論文審査会

  43. 位置分解能の入射角依存性 • ドリフト方向には依存性はない。 • パッド方向の依存性は大きい。 • シミュレーションは再現していないが、ほかのグループ(Carleton Univ., Canada)のAr(95%)-CH4(5%)の結果とはほぼ同じ。NIM A 538 (2005) 372 B29 2005/02/03 修士論文審査会

  44. Beam rate

  45. h~2 >> 30cm/tan15.4o =109cm 5cm*5000cps/cm2=2.5x104cps/cm 109cm*1400cps/cm2=1.5x105cps/cm Beam Rate としては何を見ればよいのか? nucl-ex/0410020 B30 2005/02/03 修士論文審査会

  46. GEMの穴の形状とcharge up • GEMのゲインの変動の原因の候補 • 気圧や気温の変動 • チャージアップ:電圧を掛け始めて数時間で数十%上昇する。 • 円筒形の穴のGEMなら起こりにくい。 CERN-GEM • 測定:山口頼人くん CNS-GEM CNS-GEMの方がゲインが安定するまでの時間が短い NIM A 525 (2004) 529 B31 2005/02/03 修士論文審査会

  47. NIM A 523 (2004) 345 気圧と温度の比P/Tが1%変動するとAr-CO2で17%,CF4で26%変動する ビームテストでは気圧も温度も測っていなかった ゲイン変動の要因 : P/Tの変動 B32 2005/02/03 修士論文審査会

  48. Extrapolation of dE/dx to large TPC • 測定した1pad row (12mm)でのエネルギー損失から、大きなTPCでのエネルギー分解能を推定した。 • 分解能を向上させるために上位2/7は排除した。Truncated mean • 1m(84 pad rows)だと、 sE/E = 6.4%(p), 5.7%(p) • STARのTPCと同程度の性能である。 B33 2005/02/03 修士論文審査会

  49. Multi Hit の評価方法 正味の電荷を足し合わせる。 8点を使って傾きを求める。 ヒット間の距離を求める。 8点のときがS/Nが一番良かった。 B34 2005/02/03 修士論文審査会

  50. 飛跡間の距離の分布の推定 飛跡間の距離の分布を2つの指数関数で近似する。 L:飛跡間のZ方向の距離 Accidental coincidence 2次粒子 3. 2.で使ったrunで、求まったb0,b1を使ってAccidental coincidenceの分 を差し引いて、その後で、 1.で求めたa1に固定して、a0を求めた 1. a1をシミュレーション (Geant)から推定した 2. レートの低いrunで b0,b1を求めた B35 2005/02/03 修士論文審査会

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