NEWAGE実験42：陰イオンuTPCによる二次元飛跡検出

NEWAGE42： 陰イオンμTPCによるドリフト距離の絶対位置決定 〜陰イオンμTPCによる2次元飛跡検出〜
神戸大学(NEWAGE)　池田智法
身内賢太朗、矢ケ部遼太，橋本隆、帝釋稜介，中澤美季
中村輝石，他NEWAGEグループ
2016年日本物理学会 秋季大会
2016.9.24
2016/09/24
2016JPS秋季大会
1
2
cut. Remaining events are categorized into three types; the events from +z (!),
the events from
3 !’,
3 !”),
3
4 !’,
4 !”,
4
5 !’,
5
6 !,
7 !’).
7
gas (!,
and the events from −z (!,
!,
!,
These three types of
NIμTPCとNEWAGE
events differ in the drift length. By the gas diffusion, a large TOT-sum is obtained for an event
with a long drift length. Figure 6.1.2 shows the simulated TOT-sums assuming three origins
4 !’
4 !”,
4
5
of the background sources. The events generated from the −z region (red points; !,
!,
5 !,
6 !,
7 !’),
7
!’,
have a short drift length and a small diffusion, and result in small TOT-sums.
2 and generated
On the other hand, the events generated from the +z region (green points; !)
3 !’,
3 !”)
3
from the gas region (blue points; !,
have a long drift lengths and a large diffusions,
Z
and result in large TOT-sums.
NEWAGE0.3b’断面図
バックグラウンド
RUN14で検出器感度を制限していたBG
C
-->μ-PICのガラス繊維由来のα線
Z軸に対して
有効体積カットができれば除去できる
しかし、従来のμTPCでは
Zの絶対位置決定ができない
ability to fiducialize events with the minority peaks would have a huge impact on
DRIFT and other rare-event TPCs.
DRIFTグループが観測したマイノリティピーク
minorityD"P"S"I"
peak
0.002
0.003
30 Torr CS2
10 Torr CF4
1 Torr O2
0.000
0.001
Current (arbitrary units)
0.004
91CS
2 4.5
2016/09/24
5.0
5.5
[Physics of the Dark Universe 9-10(2015)1-7]
Fortunately, the addition of a small amount of O2 to the gas mixture has been
Figure 6.1.1: Candidates of high-energy background events (500 − 15000 keV).
found to greatly increase the size of the minority peaks, as presented in Fig. 1.
陰イオンガスを用いたZの位置決定
英国DRIFTグループが陰イオンガスCS2 を用いてMWPCTPCでZの絶対位置決定に成功した
à陰イオンガスをμTPCに導入し、高位置分解能飛跡
検出と同時にZの有効体積カットをしたい
NIμTPC(陰イオンμTPC)の開発
6.0
Time (mS)
FIG. 1 – The arrival time distribution of negative ions after a 15.24 cm drift in a 273 V/cm drift
field in a mixture of 30 Torr CS2, 10 Torr CF4 and 1 Torr O2. Followng earthquake fidudialization
2016JPS秋季大会
2
to be a powerful parameter for discriminating between nuclear recoils c
by calibration neutrons and background events such as sparks [26]. Even
which this ratio was < 0.4 were cut. One further high-efficiency (⇠ 97%) cu
added to ensure that the ionisation detected on the grid was in agreemen
that detected on the anode, which removed a residual population of oscil
background events described in Ref. [35].
Waveform
An event passing the
preceding set of cuts had its maximum amplitude
N.Phan talked @CYGNUS2015
nel’s waveform
-HV passed to a peak-fitting algorithm, which used a three-Ga
fit to find the arrival times of the I, S and P peaks at the anode. The D pea
E=〜1000V/cm
not used, since its amplitude20was
Torroften
SF6 within the noise. The time di↵e
between any two peaks can be used to calculate the event’s z position us
Fiducialization ?
-­‐ va vb
SF
z = (ta tb )
. SF 6 6
(vb va )
NIμTPCの原理
NIµTPC
SF6 gas
9 % faster
vaHere, a and b represent two di↵erent
than larger
carrier peaks (I, S or P), and t and
peak
SF6SF5-
- -­‐ SF
the arrival time relative to trigger, SF
and
55 ?drift velocity, respectively. In pra
vbI and P peaks were used, since the S peak is suppressed for events
the
high z [26]. Events for which the2.6algorithm
failed to calculate a z position
%
cut, which removed all events from the WIMP-search
run other than the
∆T
understood radon progeny recoils (RPRs) and low-energy alphas (LEAs
taneutron-calibration
tb from the
whilst preserving ⇠ 70% of recoil-like events
N. Phan, Cygnus 2015
June 4, 2015
15
まだ
µ-PIC+GEM
Amp
マイノリティチャージを検出し、 6
Zの絶対位置を再構成
NI
今回
MPGDを用いて高位置分解能で　3次元飛跡検出 μTPC
2016/09/24
2016JPS秋季大会
3
ガスゲイン
•  先行研究ではSF6ガスを用いたときのμ-PIC+GEMシステムのガスゲインを調べた
JPS2016春季大会発表スライド
Anode電圧依存性
4×103
SFSF66 20Torr(
20Torr
GEM=150V)
ΔGEM=150V
200
55Fe
Gas Gain
Anode 590V
ΔGEM=150V
250
3×103
55Fe
150
Gas Gain
3×103
GEM電圧依存性
4×103
100
2×103
FWHM 70%@5.9keV
50
SF6 20Torr(Anode 690V)
SF
6 20Torr
Anode 590V
2×103
-6
0
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
Charge[C]
0.14
0.16
0.18
×10
0.2
103
530
103
540
550
560
570
580
590
600
610
620
90
100
110
120
130
140
150
160
170
GEM
Anode[V]
Inductioin電圧依存性
3000
SF6 20Torrで最大ガスゲイン∼2000
SF6 20Torr(Anode 690V)
SF
6 20Torr
Anode 590V
μPIC+GEMシステムは陰イオンSF6中でも十分
なガスゲインが得られることを示した
à 二次元飛跡検出へ Gas Gain
2500
2000
55Fe
1500
1000
500
610
620
630
640
650
660
670
680
690
700
710
Induction
2016/09/24
2016JPS秋季大会
4
陰イオンガスを用いたμ-­‐PICの2D飛跡検出
•  従来通りアノード&カソード信号のコインシデンスにより、電荷が入力されたピクセ
ルを決定する方法を用いる
cathode
anode
trigger
anode signal
cathode signal
digital
coincidence
典型的なμ-PICの２次元位置分解能
σxy = 140μm
陰イオンガスを用いたμ-PICでも2次元飛跡再構成はできるのか?
位置分解能は?
2016/09/24
2016JPS秋季大会
5
α線の飛跡検出試験
•  12.8mm×12.8mmの検出領域でα線(241Am)の飛跡検出を行なう
241Am
(-10,13,36)
α
16mm
Trigger volume
241Am(Φ10)
3mm
12.8mm
Anode readout strips(X)
Detector region
DRIFT(SUS)
Detection volume
20mm SF (20Torr)
6
12.8mm
GEM
µ-PIC
Anode Cathode 32strips
セットアップ図
Trigger strip
ZX断面図
gas gain〜1000
NIμTPC
Anode RO Board
cathode RO Board
GEM
A32ch
C32ch
Cathode readout strips(Y)
アナログボード
to デジタルボード
2016/09/24
2016JPS秋季大会
6
!"#$%"&%!'
!"#$
%&'$
エレクトロニクス
^_'!()`abc#()def`g$()4516789"
()*+!"(),-./#"()0123#"()4567$()489:#();<=#(
Ref: #"
K.Sakashita’s slide(KEK)@計測システム研究会2015RCNP #"()1KLM!"()HNO#(
>?@#"()AB.C#"()DEFG
()1HIJ
Y.Kuromori’s slide(岩手大)@2015JPS秋季大会
#
!"
#"
PQRS ()T1UM ()VWXYZ ()[\]#()*+,-+).+/01223#"
•  NIμTPCではシェイピングタイムの長いアンプが必要(O(us)) •  KEK・岩手大学で共同開発された液体アルゴンTPC用読み出しエレキを用いる
Digital Board (64ch RO)
anode 32ch
cathode 32ch
(ID109〜140) (ID109〜140)
Analog Board (64ch RO)
Ethernet
PC
!"#$%&'()!"#$%
!"#$%&'()
trigger(cathode
ID107,108)
!"#$%
!""
!"#$%&
LTARS2014
&''
2016/09/24
!"#$%!"#$&
デジタルボード
Conversion gain 約9.0mV/fC 最大入力電荷 60~100fC ENC 2000以下@300pF '($&#"
Shaping cme 1us
32ch differencal inputs(2Vpp) 12bits FADC 4000 sampling サンプリング周波数<20MHz 2016JPS秋季大会
)*+,-./0*+1230+11+'&%4(56)
7
イベントディスプレイ
200ns/digit
cathode
■ ADCanode × ADCcathode
241Am
200ns/digit
2016/09/24
SF6 20Torr
■ coincidence pixel
■ ADCanode × ADCcathode
400µm/pich
SF6 20Torr
Y [mm] (cathode)
cathode
400µm/pich
X [mm] (anode)
カソードの信号が小さい
現在調査中
anode
■ coincidence pixel
Y [mm] (cathode)
anode
241Am
2016JPS秋季大会
X [mm] (anode)
8
400µm/pich
200ns/digit
SF6 20Torr
830 Event
X [mm] (anode)
DRIFT
Z
trigger strip
anode
241Am
12.8mm
12.8mm
ZY平面
241Am
cathode
XY平面
GEM
イベントディスプレイ
Z [mm] ZX平面
241Am
DRIFT
16mm
20mm
830Event
400um/pich
200ns/digit
SF620Torr
Z [mm]
トリガー領域に侵入する飛跡だけが検出できている
陰イオンガスSF6でも従来の手法で
2次元飛跡再構成が可能であることがわかった
400µm/pich
200ns/digit
SF6 20Torr
830Event
2016/09/24
Y[mm] (cathode)
GEM
2016JPS秋季大会
Y [mm] (anode)
9
２次元位置分解能
Y [mm] (cathode)
•  フィット直線とヒット点の残差を評価する
■ coincidence pixel
■ ADCanode × ADCcathode
µ-PIC(400µm pich) +GEM 400µm/pich
ー fit line
SF6(20Torr)
＜σxy＞=130µm
residual[mm]
X [mm] (anode)
Ø  2次元位置分解能 σXY(RMS) = 130μm
Ø  GEMを前置増幅器として使用しているにもかかわらず、
位置分解能はμ-PIC単体のものと同程度
2016/09/24
2016JPS秋季大会
10
まとめ&今後の展望
p  まとめ
•  12.8mm 12.8mmの検出面積を持ったSF6ガスを用いたμ-PICでα線の二次
元飛跡検出を行なった
•  SF6ガスを用いても2次元飛跡検出が可能であることが確かめられた
•  σXY[RMS]=130μmの位置分解能が得られた
•  カソードの信号サイズの減少については現在調査中
p  今後の展望
•  原子核反跳イベントの飛跡検出
•  NIμTPC用に調整されたエレキを用いての飛跡検出
2016/09/24
2016JPS秋季大会
11
BACK UP
2016/09/24
2016JPS秋季大会
12
Drih Velocity
•  カソード信号の最大時間差がドリフト距離2cmを走ったイベントであることを
用いてSF6-イオンのドリフト速度を求める
Latest time – fastest time
758 ± 60 digit
Measurement by N.Phan@Cygnus2015
[×200ns]
µlow=22.79 ±0.25[cm2V-1s-1]
µhigh=27.19±0.50[cm2V-1s-1]
2[cm]/(152[us]-12.5[us]) =1.4 ×104 [cm/s]
GEM&μPIC間3mmのドリフト時間
2016/09/24
2016JPS秋季大会
13
イベントディスプレイ
X [mm] (anode)
Y[mm] (cathode)
HV OFF strips
Non trigger
Trigger strip
•  検出領域12.8mm 12.8mm
•  アノード3stripのHVoff
•  ドリフト距離2cm
2016/09/24
241Am
2016JPS秋季大会
14
ASIC Noise (Anode)
2016/09/24
2016JPS秋季大会
15
ASIC Noise (Cathode)
2016/09/24
2016JPS秋季大会
16
Next ASIC Specificacon
Specifica:oin(2016/6/27)
Minority Charge
Detector Cap
Main Charge
300pF
Minimum signal
3fC(ENC×10)
80fC
ENC
2000(0.3fC)以下
5×4(8fC)以下
Dynamic range
80fC
1600fC
Conversion gain
10mV/fC
0.5mV/fC
2016/09/24
Shaping time
4us
power
<50mW/32ch
etc
16ch input
2016JPS秋季大会
17
カソードゲインの減少
•  μ-­‐PICのアノードカソードガスゲインは同じっぽい •  しかし長い時定数のアンプを使った試験ではカソードの立ち下がりが早く落ちる
減少が見られた •  LTARSにはプリアンプ後RCが入っていたの
カソード信号
アノード信号
面積がすくない
•  アイスキャンでだいたい面積比1/6(7usのシェイピング)
Study中
2016/09/24
2016JPS秋季大会
18