6.8章 発表スライド pdf(和田)

6.7　The Drift Chamber
6.8 The Time Projection Chamber
・電離によって発生する電子のdrift速度の測定　→　空間的な(位置)情報
粒子が通過した時間(trigger)とdrift速度(u)が
分かっている場合
(6.45)
・時間と距離の線形関係　：　drift速度が一定、つまり電場が一様であればよい
(6.19)
このような構造のDrift chamberは
MWPCのすぐ後につくられ、粒子
物理学の分野で現在まで使用さ
れている。
・driftする距離が50cmまでならこの単純な構造は使用可能
―しかし大抵のdrift領域は5－10cmのdrift領域を持つ
Driftする距離が短くなるほど
拡散の効果が小さくなる
高電圧の使用が抑えられる
・典型的なdrift速度(5 cm/μs)でのdrift時間は”1～2μs”　←　chamberの”記録時
間”
・広い面積を覆うために、多くの隣接するdrift cellsが使われる。
数mの長さのDrift chamberはこの方法で構成されている。
・ある粒子の飛跡をいくつか得たい：
ワイヤー方向の異なるいくつかのDrift chamberを積み重ねて使う。
MWPCに用いられていたchamberの構造は、大体drift chamberにもまた用いられている。
ただ、ワイヤー間隔はより良いdrift時間を得るために大きくする
・しかし、アノード間に不均一な電場がある
これを補正するために一般的にアノードの間に
field wiresが加えられる
・高分解能が得られるよう
最適化した例
円筒形のDrift chamberもつくられた。
・粒子の飛跡のrとφの情報が得られる((r,φ,z)円筒形座標？)
・数学的なfitを行うことなく粒子の飛跡を視覚化することが出来る(加速器で使用)
このとき軌道上の多くの点を測定したい　→　ワイヤー密度を高くする
結果として、複数の飛跡やその交点の分解能もよくなる
Drift chamnerの有利な点
・必要なワイヤーと電子回路の数が相対的に少ない
・より広い面積を覆うことが出来る
・一般的に動作させることが容易　→　しかし、良い分解能を得るには
充填ガス
電場の均一性
に注意
MWPCと同様に計数率の上限はおよそ
MWPCに比べてワイヤー数が少ないため、Drift chamberの係数率の上限はさらに低い
6.7.1 Drift Gases
Drift速度の正確な情報が必要　：　充填ガスの選択が非常に重要
ガスの選択はMWPCと大抵同じだが、特別な注意が必要
・ガスの純度(特に電気的に陰性なガスの存在)　：　drift距離が長いほど良い純度が必要
・ある程度の電場でdrift速度の飽和が起こるガス　：　安定した動作
・drift速度の大きさ　： 高計数率の場合
、速いdrift速度
で不感時間を短
く
位置分解能を良くする場合、
遅いdrift速度で時間誤差を小さく
6.7.2 Spatial Resolution
速い：hydrocarbon quencher
遅い：DME
6.7.2 Spatial Resolution
位置分解能
drift時間と空間変数の関係どのくらい分かっているか
diffusionの合計　：　drift距離による
drift速度一定の場合、(6.14)より
(6.46)
※誤差は
5cmのdrift距離で分解能は100μmのオーダー
→　drift chamnerの本来の精度は5mmのdrift距離で50μm
最近では非常に位置分解能の良い(50μm以下)ものが開発されようとしている
(高エネルギー実験)
・低いdiffusion
・低drift速度のガス
・新しいchamberの設計や考え方
高圧力下でdiffusionを減らすものや、
avalamcheによるシンチレーション光をトリガーにするもの
6.7.3 Operation in Magnetic Fields
・粒子物理学の実験では検出器が磁場の影響下にあるのが普通
drift距離やdrift速度はLorentz力によって変化する
drift時間と位置を求めるために磁場の正確な情報が必要
磁場の効果を補正するために、電場の方向を調節することも必要
6.8 The Time Projection Chamber (TPC)
現在最も高度な電離検出器
多くの飛跡上の点の情報
Energy loss比(dE/dx)
三次元の飛跡を検出可能
→　electronic 泡箱として注目された
高エネルギーでの電子-陽電子加速器実験で重要な役割
最近、多くの異なる種類の実験での使用が提案されている
・MWPCとDrift chamberの両方のidea
・高エネルギー加速器実験では
数mの大きさ
・加速器実験ではTPCの中心が
interaction pointになるようにする
→　TPCはほぼ4πの立体角を囲む
・長いdrift距離　→　diffusion(特に横方向)が問題になる
電子を(drift方向に対して)らせん軌道に制限する平行磁場によって解決
※但し、電場と磁場は完璧に直線で一様でなければならない
(the drift zone down to about one part in 10^4 ?)
・avalancheで発生した陽イオンがcentral cathodeに戻ることで空間電荷の蓄積が起こる
→　電場のひずみを引き起こす
anodeワイヤーの前にgroundの格子を置くことで解決
(この格子によってavalanche領域とdrift領域が分けられ独立した操作が可能に)
・TPCの終端に集まる電荷はenergy lossに比例
→　anode信号の大きさは粒子のdE/dxの情報を与える
例：磁場による軌道の曲率　→　粒子の運動量　→　粒子の識別
※この方法では十分なenergy loss測定分解能が必要　→　要するに難しい
(電子吸着、ワイヤー増幅率の違い(x,t)、ワイヤーの校正、飽和効果、ガスや圧力,etc)
TPCでは大量のデータを扱う　→　データの読み出し、取得システムが重要
SLACでのPEP(電子-陽電子衝突)実験では
charged-coupled devices(CCDs)：取得
遅いADC(analog to digital コンバータ)：読み出し
CCD：時間とパルス高を記録できるアナログシフトレジスター
CCDは外部クロックで決まる周期(およそ15MHz)でTPCからの信号を連続的に取り込む
trigger 無し：情報は破棄される
trigger 来る：クロックが(計数100)で遅れ、
CCDにデータが読み込まれ
ADCでデジタル化される。
→　情報はコンピュータへ伝えられ、粒子の飛跡が再構成される
もう一つの方法 ： flash ADC
・TPCに直接つなげて使う
・動作が十分速く、複数のワイヤーから１つのADCに多重送信できる
詳しくは[6.31]