drift gap mm drift gap mm

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原子核内でのΦ中間子質量測定実
験のためのGEM 検出器開発
東大理A,理研B,CNSC,KEKD,筑波大E
渡辺陽介A,小沢恭一郎A,宇都宮和樹A,
小松雄哉A,井澗勇気A
青木和也B,延與秀人B,四日市悟B
郡司卓C,浜垣秀樹C
関本美智子D
江角晋一E,竹内理将E
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Outline
1.
2.
3.
4.
5.
開発動機
GEMチェンバーの構成
テスト項目
テスト結果
Summary
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GEM tracker for E16 @ J-PARC
1セクター
これが26個
 原子核中でのφ中間子質量の
測定
φ->e++e-
 3層のGEMチェンバーで磁場中
の位置を出し運動量を決める
 要求性能
GEM
Tracker
ビーム平面で見た図
~100μm の分解能
ハイレートへの耐性
(5kHz/mm2)
尐ない物質量(1チャンバーにつ
き~0.1% )
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GEMチェンバーの構成
Drift gap
 P10 (Ar 90%+CH4 10%)
 3枚のGEM
 二次元ストリップ読み出し
位置を荷電平均により決定
290μｍ
Induction gap
700μｍ ピッチ
70μｍ
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テスト項目
分解能目標値:~100μ m
０度入射の場合のｘ表面とｙ裏面の分解能
15度入射の場合の分解能
1セグメントの端で予想される角度
GEMセットアップの最適化
ドリフト領域の距離
距離が長いほどprimary electronが多い
角度のある入射に弱くなる
インダクション領域の距離
電子の広がりを調整する
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ビームテスト @ KEK Fuji beam line
運動量
2 GeV
レート
3 Hz
広がり
0.003rad
SSD
SSD
electorn
GEM
chamber
~20cm
読み出し表と裏
Induction region
Drift region
beam
parameter
value
Drift region
9,11,13 mm
Induction region 2,4,6 mm
Incident angle
0, 15 degree
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Result 1 : xy方向の差
Drift gap : 13mm,Induction gap : 2mm
入射角度 : 0O
Events
x(表)
σ~105μm
 トラック決定精度：30μ m
Efficiency~96%  表面のほうが分解能,Efficiencyと
もによい
xyに落ちた総電荷の比較
y
x
Events
y (裏)
difference mm
σ~133μm
Efficiency~83%
Arbitrary scale
yの分布のほうが多くペデスタル
にかかっている
 低いefficiency
difference mm
99%程度を期待
GEMの増幅率が低すぎるか
(~2000)
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Result 2: Induction gap(2,4,6mm)
 電圧一定(340V)
Resolution(μm)
ギャップの広がりとともに電場が変化す
る
電場により拡散定数は5%ほど変わる
(MAGBOLTZ)
 “Cluster size”
定義
Induction gap (mm)
Qi/Q
hit位置
Xi
拡散定数の見積もり(σ= D √x)
フィットの結果：650μm/√cm
MAGBOLTZの結果：~600μm /√cm
Cluster size(μm)
Induction gap (mm)
 分解能
inductionギャップが広くなるほど分解
能は悪くなっている
電子の広がりの効果と電場が弱くなるこ
とによりストリップに到達する電子の数
が減る効果により定性的に理解できる
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Result 3: Drift gap (9,11,13mm)
Resolution(μm)
 電場一定(420V/cm)
 種の数の見積もり：
9mm: 86個
11mm: 105個
13mm: 124個
 分解能 : ほぼ同じ(~105μm)
 Cluster size: ほぼ同じ。
drift gap mm
Cluster size(μm)
drift gap mm
使ったプリアンプはすべての電子を収集で
きていない？
電子のドリフト速度
 5cm/μsec
7mm程度までし
プリアンプの時定数
か見えていない
可能性
 130ns
ドリフト電圧が小さかった？
ドリフト領域に生じた電子をGEMの一番
上の層まで導けない
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Result 4: 入射角度 0O vs 15O
Drift : 11mm,Induction : 2mｍ
 ななめ入射の分解能は悪い
Resolution(μm)
電子の広がりが広くなる
ドリフト領域を狭めるとどの程度斜めに対して強
くなるかのテストはまだ
2.7mm
10mm
 解析方法の影響
解析Ａ:左記の結果に使用
• Siで決めたヒット位置の情報を使う
• 実際の実験でも他の二つのGEMチェンバー
の情報を使える
解析Ｂ
Cluster size(μm)
Siの情報を使わない
0∘入射の場合の差はほとんどない
15 ∘入射の場合解析Ｂを行うと結果が悪
くなる
分解能:426μ m
ノイズの影響がきいている。アルゴリズムに改善の余
地がある
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Summary & Future plan
 E16実験のためにGEMトラッカーを開発中
 国産GEM、二次元ストリップ読み出しのある程度の性能を確認
できた
 やり残したテスト
ドリフト領域が広い場合の斜め入射の影響
 ななめ入射に対する分解能に問題がある
電子の広がりを小さく
拡散定数を小さくする
 Ar:70%+CO2:30%の使用(拡散定数:P10の約半分)
ドリフトギャップを狭くする
4 24
44
76
24 4
P10
12
12
Ar+CO2
 しかし、同時にprimary electronの数で損をする
▫ 狭いストリップ間隔で電荷情報を使わない読み出しもテスト
 Efficiencyが小さい
GEMの増幅率を上げてテストする
 電子の広がり、増幅率の議論がまだ定量的でない
圧力モニターの導入
東北大学核理研へ
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Result 2: 補足
 induction gapが広くなると電子の
収集効率が落ちる
 分解能のおおまかな見積もり
6mm
4mm
2mm
D:広がり/pitch
2

D2  N 
    Pitch N種:種の数
N/S: noise/signal
N種  S 
(S∝増幅率*N種)
 分解能の理解
面積が１になるようスケール
①2mmのデータを用いて種の数を
見積もる
②左の表の値でS/Nと種の数をス
ケールする
③分解能を計算する
Gap
Peak
gap
推定
実際
2mm
11.5
4mm
130μm
125μm
4mm
8.5
6mm
190μm
240μm
6mm
3.3
6mmの結果のずれ
thresholdの効果か
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Result 5: Drift gap voltage (X ray data @ Lab)
55Fe X 線のデータ
ドリフト電圧が小さすぎると、ドリフト領域に
生じた種をGEMの第１層まで導けない
cluster size
Arbitrary scale
detected charge sum
drift gap voltage (V)
drift gap voltage (V)
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補足 Magboltz simulation result(P10)
1kV/cm
1atm
27∘C
1atm
電場(kV/cm)
27∘C
1kV/cm
温度(摂氏)
拡散定数のシミュ
レーション結果
単位はμm
圧力(atm)