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

2005/02/03 修士論文審査会 1/13

GEM-TPC 開発の動機

2005/02/03 修士論文審査会 2/13

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 pT/pT

2~10-3 (GeV/c)-1

半径 1m の円筒型だとして、位置分解能 200m 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

GEM とは、 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

NIM A386(1997)531

70 µm

140 µm

F.Sauli CERNTPC Symposium, B

erkeley (2003)

2005/02/03 修士論文審査会 3/13

MWPC を用いたTPC の仕組みNIM A 409 (1998) 9

GEM を用いたTPC の仕組み

GEM を TPC に用いる利点

2005/02/03 修士論文審査会 4/13

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

GEM-TPC プロトタイプ

2005/02/03 修士論文審査会 5/13

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 1s 100MHz FADC で 3 列 ×8 個 =24ch を同時に読み出

す

ビーム方向

ビーム方向

性能評価のためのビームテスト

2005/02/03 修士論文審査会 6/13

GEM-TPCの性能評価のためのビームテストを KEK PS 2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 ) 位置分解能 (1GeV/c ) ビームレートの影響 (2GeV/c e,,p) エネルギー損失の測定 (0.5-3GeV/c、 e,,,p,d) 近接飛跡分解能 (2GeV/c e,,p)

磁場は無し

セットアップ

GEM-TPC の信号

時間 (6.4s=640bin, 1bin=10ns)

ADC

Ar-C2H6, ドリフト長 85mm, 長方形パッド

1GeV/c 電子ビームのとき

飛跡

2005/02/03 修士論文審査会 7/13

測定結果 1: 検出効率

2005/02/03 修士論文審査会 8/13

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

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

測定結果 2: 位置分解能

2005/02/03 修士論文審査会 9/13

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 80m(X 方向 ) 、 310m(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

201 2

1XXX

電場 ドリフト速度

拡散 ( 横方向 )

@1cm

拡散 ( 縦方向 )

@1cm

Ar(90%)-CH4(10%) 130 V/cm 5.48 cm/s 570 m 378 m

Ar(70%)-C2H6(30%) 390 V/cm 5.01 cm/s 306 m 195 m

CF4 570 V/cm 8.90 cm/s 104 m 82 m

測定結果 3:ビームレートの影響

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/d>|=0=170, Luminosity=1.4x1027/cm2/s, inel=7barn 　⇒ 300cps/cm2 : 衝突点から 30cm

LHC (Pb-Pb, √sNN=5.5 TeV) <dNch/d>|=0~1000, Luminosity~1x1027/cm2/s, inel~8barn　⇒ 1400cps/cm2 : 衝突点から 30cm

2005/02/03 修士論文審査会 10/13

測定結果 4: dE/dxの

測定による粒子識別

2005/02/03 修士論文審査会 11/13

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 + の

エネルギー損失

1.0GeV/c の + 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、の rejection factor 180

p

測定結果 5: 近接飛跡分解能

2005/02/03 修士論文審査会 12/13

2 次粒子 Accidentalcoincidence

ビームレートを高くして(~4000cps/cm2) 、 1 イベント(6.4s) 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 )

まとめ

2005/02/03 修士論文審査会 13/13

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 : 80m ( パッド方向 ), 310m ( 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

Backup Slides

2005/02/03 修士論文審査会 B1

GEM-TPC とは

2005/02/03 修士論文審査会

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。

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。

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

B2

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。

BNL AGS E910 EOS

BNL RHIC STARE,B

2005/02/03 修士論文審査会 B3

ガス

2005/02/03 修士論文審査会 B4

電場 ドリフト速度

拡散 ( 横方向 )

@1cm

拡散 ( 縦方向 )

@1cm

Ar(90%)-CH4(10%) 130 V/cm 5.48 cm/s 570 m 378 m

Ar(70%)-C2H6(30%) 390 V/cm 5.01 cm/s 306 m 195 m

CF4 570 V/cm 8.90 cm/s 104 m 82 m

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。

55Fe の X線 (5.9keV)のスペクトル　 CF4

=13%

増幅率曲線の測定結果

Magboltzでの計算結果

増幅率測定のセットアップ

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。

2005/02/03 修士論文審査会 B5

ガス パッド 測定値 計算値

Ar(90%)-CH4(10%) chevron 508 +/- 7 570

Ar(90%)-CH4(10%) rectangle 505 +/- 7 570

Ar(70%)-C2H6(30%) rectangle 317 +/- 4 306

CF4 chevron 107 +/- 6 104

単位は m/√cm

Ar(90%)-CH4(10%) ガス chevron パッドドリフト長 20mm( 上 ) 、 85mm( 中 ) 、 150mm( 下 )

GEM-TPC プロトタイプ

2005/02/03 修士論文審査会 B6

GEM3 枚 + end plate

GEM3 枚

End cap Field cage36x17x17cm3

115 stripsGas vessel60x29x29cm3

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。

mm 1/cm 30

cm 0 EdzE

2005/02/03 修士論文審査会 B7

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。

2005/02/03 修士論文審査会 B8

プリアンプその1

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

2005/02/03 修士論文審査会 B9

negative

positive negative

positive

電荷応答

反転0

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) 。

2005/02/03 修士論文審査会 B10

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。

2005/02/03 修士論文審査会 B11

Magboltzによるドリフト速度と拡散係数の計算結果

電場 ドリフト速度

拡散 ( 横方向 )

@1cm

拡散 ( 縦方向 )

@1cm

Ar(90%)-CH4(10%) 130 V/cm 5.48 cm/s 570 m 378 m

Ar(70%)-C2H6(30%) 390 V/cm 5.01 cm/s 306 m 195 m

CF4 570 V/cm 8.90 cm/s 104 m 82 m

2005/02/03 修士論文審査会 B12

2 ビームラインでのセットアップ

beam

beam

S1, GCC

2005/02/03 修士論文審査会 B13

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。

2005/02/03 修士論文審査会 B14

粒子識別

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, , +0.7 GeV/c : e, +1.0 GeV/c : e, , p +2.0 GeV/c : e, , K, p, d +3.0 GeV/c : , p, d -1.0 GeV/c : e,

+0.5 GeV/c

+0.7 GeV/c

+1.0 GeV/c

+2.0 GeV/c

+3.0 GeV/c

-1.0 GeV/c

GCC1 GCC2 PbGl TOF2005/02/03 修士論文審査会 B15

Tracking 用の SSD

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 42m 。

検出効率は 76.6-99.7% 　( 平均 96.0%)

2005/02/03 修士論文審査会 B16

ビームプロファイルとTPC とSSD の相関

2005/02/03 修士論文審査会 B17多重散乱によって 1mm 程度ぼかされている

GEM-TPC の信号

2005/02/03 修士論文審査会 B18

timerise :

decay time :

zero time:

hight pulse :

pedestal :

)/)(exp(1

)/)(exp(

4

3

2

1

0

42

3210

p

p

p

p

p

ppTDC

ppTDCppADC

信号を次の関数でフィッティングした。

Ar+C2H6, ドリフト長 85mm, 長方形パッド

1GeV/c 電子ビームのとき

Pedestal and Noise

ヒットの閾値を 4ch (~6) 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。

2005/02/03 修士論文審査会 B19

Hit threshold is 4ch.Red 2ch, Green 3chBlue 4ch, Yellow 5ch

検出効率

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

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 )

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

2005/02/03 修士論文審査会 B20

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。

2005/02/03 修士論文審査会 B21

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。 (m 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 (140m) と GEMとパッドの間での拡散でほぼ説明できる。

LCsLsTDxx 22

02 )(

2005/02/03 修士論文審査会 B22

電子の横方向の広がり拡散 ( 横方向 )

(m for 1cm)

測定値

拡散 ( 横方向 )

(m for 1cm)

計算値

sx0

(m)

電場(V/cm)

Transeverse

Diffusion

(m)

Ar(90%)-CH4(10%) chevron 508 +/- 7 570 385 +/- 101 1658 230

Ar(90%)-CH4(10%) rectangle 505 +/- 7 570 387 +/- 101 1658 230

Ar(70%)-C2H6(30%) rectangle 317 +/- 4 306 402 +/- 43 1703 150

CF4 chevron 107 +/- 6 104 383 +/- 37 2489 40

LCsLsTDxx 22

02 )(

GEM の穴のピッチ 140m, GEM3 枚140mx√3=240m

2005/02/03 修士論文審査会 B23

立ち上がり時間と電子の縦方向の広がり

Crise

(m for 1cm)

拡散 ( 縦方向 )

(m for 1cm)

CDL/Crise mr0

(ch = 10 ns)

1.7 x mr0

(ns)

電場(V/cm)

Logitudinal

Diffusion

(ns)

Ar(90%)-CH4(10%) chevron 213 +/- 1 378 1.77 +/- 0.01 1.306 +/- 0.010 22.1 1658 7.1

Ar(90%)-CH4(10%) rectangle 214 +/- 1 378 1.77 +/- 0.01 1.291 +/- 0.010 21.9 1658 7.1

Ar(70%)-C2H6(30%) rectangle 121 +/- 1 195 1.61 +/- 0.01 0.934 +/- 0.004 15.8 1703 2.5

CF4 chevron 59 +/- 1 82 1.38 +/- 0.01 0.593 +/- 0.001 10.0 2489 0.2

2005/02/03 修士論文審査会 B24

LCmLmLDrr 22

02 )(

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。

2005/02/03 修士論文審査会 B25

残差の分布 201 2

1XXX

2005/02/03 修士論文審査会 B26

X Z

2005/02/03 修士論文審査会 B27

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。

effDxx NLCLT

/)( 220

2

位置分解能

2005/02/03 修士論文審査会 B50

シミュレーションとの比較

2005/02/03 修士論文審査会 B28

effDxx NLCLT

/)( 220

2 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

位置分解能と有効な電子の数

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

2005/02/03 修士論文審査会 B29

Beam rate

Beam Rate としては何を見ればよいのか ?

~2 >> 30cm/tan15.4o =109cm

5cm*5000cps/cm2=2.5x104cps/cm

109cm*1400cps/cm2=1.5x105cps/cm

nucl-ex/0410020

2005/02/03 修士論文審査会 B30

GEM の穴の形状と charge up

測定 : 山口頼人くん

CERN-GEM

CNS-GEM

NIM A 525 (2004) 529

2005/02/03 修士論文審査会 B31

CNS-GEM の方がゲインが安定するまでの時間が短い

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。

ゲイン変動の要因 : P/T の変動

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

2005/02/03 修士論文審査会 B32

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、E/E = 6.4%(), 5.7%(p) STARの TPCと同程度の性能である。

2005/02/03 修士論文審査会 B33

Multi Hit の評価方法

2005/02/03 修士論文審査会 B34

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。

飛跡間の距離の分布の推定

)exp()exp( 1010 LbbLaa L: 飛跡間の Z 方向の距離

2 次粒子 Accidental coincidence

飛跡間の距離の分布を 2 つの指数関数で近似する。

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

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2005/02/03 修士論文審査会 B35

飛跡間の距離の分布の推定 ( 続き )

4. レートの高い run でb0,b1 を求めた 5. 4. で使った run に対して、

1. で求めた a1 と 3. で求めたa0 と、

4. で求めた b0,b1 を使って『本来の分布』を推定した。

2005/02/03 修士論文審査会 B36