J-PARC E15実験における TGEM-TPCの開発 @理研

佐久間　史典　 ( 理研 )徳田　真　 ( 東工大 M1)

大西　宏明　 ( 理研 )岩崎　雅彦　 ( 理研 )

J-PARC E15 実験E15 での TGEM-TPCTGEM について理研での TGEM の現状まとめ・これから

QGP neutronstarR

HIC

, L

HC

W.Weise NPA553, 59 (1993).

T.Yamazaki, A.Dote, Y.Akiaishi PLB587,167(2004).

Y.Akaishi & T.Yamazaki, PLB535, 70(2002).

deeply-bound kaonic nuclear states exist?

J-PARC?

KEK-P

S

search for K-pp bound state using 3He(K-,n) reaction

K-3He Formation

Decay

K-ppcluster

neutron

p

p

-

Mode to decay charged particles

Missing

mass

Spectroscop

y

via neutron

Invariant

mass

reconstructio

n at J-PARCat J-PARC

exclusive measurement byMissing mass spectroscopy

andInvariant mass reconstruction

1GeV/cK- beam

p

p

n

NeutronToF Wall

CylindricalDetectorSystem

Beam SweepingMagnet

K1.8BR Beam Line

flight length

= 15m

neutron

Beam trajectory

CDS &target

SweepingMagnet

NeutronCounter

Beam LineSpectrometer

important to measure not only non-mesonic decay modenon-mesonic decay mode

but also mesonic decay modemesonic decay mode

to improve z-resolution, Thick-GEM

TPCwill be installed

designlocated between CDC and target-chamber cover the CDC acceptance of AUVAminimum materials in the acceptance1mm spatial resolution in the z-direction

field strip

field cageR/O pad

~500mm

~300mm

280m

m

170m

m

•flexible print circuit board•8mm strip•10mm pitch•double sided

これから作成・ 2 月には完成予定 / よろしくお願いいたします林栄さん

8

Prototype of Readout-Pad

for preamp

20mm4mm

through-hole

preamp arrangementASD-chip を用いて、時間情報のみを取り出す

Filed calculation

potential

Maxwell-2D calculation

electric field

contours of potential

Garfield calculation

drift-line of electron

gas:P10, B=0.5T

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 5 10 15 20 25 30 35

reso

luti

on(m

m)

z(cm)

longitudinal

transverse

22 2

0d

xeff

C z

N

x : total resolution0 : resolution w/o diffusionCd : diffusion constantz : drift distanceNeff : effective number of electrons

assumption :gas = P10, 1atmE = 150V/cm Cdl = 0.34mm, Cdt = 0.60mm0l = 0.5mm0t = 0.2mmNeff = 38.7*0.4(cm) = 15.5

Expected performance

resolution

however, -direction resolution is limited by pad size, e.g., 20.0/sqrt(12) = 5.8mm

z Dl Dt

l

t

(cm) (mm) (mm) (mm) (mm)0 0.00 0.00 0.50 0.2010 1.09 1.89 0.57 0.5220 1.54 2.67 0.63 0.7130 1.88 3.27 0.69 0.85

10cm10cm

HV

Thick-GEM 、 TGEM 、 THGEMロバスト ( 強靱 ) 、シンプルな製造工程、 1 枚あたりのゲインが高いdouble-clad G10(FR4) 基盤を材料に、通常の PCB 技術を用いて安く作ることが出来る ( はず )「穴」はドリルで空け、放電防止の「穴の周りの逃げ (Rim) 」はケミカルエッチングで空けるfoil-GEM に比べて、取り扱いが楽、オペレーションが楽 ( 多少の放電で死なない ) 、大面積を覆える可能性電極やインシュレーターの素材を変えることによって、さらに安定したTGEM を作ることが出来る可能性

500500mmetched and drilled patterns etched and drilled patterns

are not centered are not centered systematically!systematically!

TGEM@RIKEN

林栄精器にて以下の 6 種類の TGEM を作成

TGEM# #0 #1 #2 #3 #4#5

(Carbon)

Thickness [mm]

0.4 0.4 0.4 0.2 0.2 0.4

Drilled hole diameter [mm]

0.3 0.3 0.5 0.3 0.5 0.3

Etched hole diameter [mm]

0.5 0.4 No 0.4 No No

Pitch [mm] 0.7 0.6 0.6 0.6 0.6 0.7

Size [mm2] 100 x 100

#5 RETGEMCarbon(graphite) electrode

500m

#0 400m, w/ Rim #1 400m, w/ Rim #2 400m, w/o Rim

#3 200m, w/ Rim #4 200m, w/o Rim #5 400m, w/o RimCarbon electrode

readout pad

test chamber

11mm

2mm

2mm

drift mesh

TGEM #1

TGEM #2

R/O pad ASD

Edrift

Etrans

Einduct

55Fe

setup

gas は P10, 1atm を使用DC

1M

2200p 1M

2M

1M

2M

1M

GEM1

GEM1

GEM2

GEM2

mesh

20M

20M

20M

20M

11mm

2mm

400um

2mm

400um

R/O

20M72Hz low-pass

HV divider は抵抗チェーンで作成測定は ASD(=80ns) のアナログ出力と生シグナルeffective gain は生シグナルから計算して導出　 ASD シグナルを用いてスケール

effective gain of #0

目標 : 実際に掛ける Vth を考慮すると、 ASD の p.h~150mV 以上で安定動作

Edrift=150V/cm

VGEM:Einduct=1:2.5

VGEM:Etrans:Einduct=1:2.5:2.5

1

10

100

1000

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600

ASD

pul

e hi

ght

[mV

]

ΔVGEM [V]

GEM#1

single

double

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600

effec

tive

gai

n

ΔVGEM [V]

GEM #1single

double

spark が見られる

raw signal, ASD signal, ADC of #0

Double TGEM #0P10, 1atmVGEM = 1225VHV-type155Fe X-ray



gain~1.1x104

raw signal

ADC

ASD signal

res~16%()

Einduct dependence of #0

foil-GEM とは異なり、 gain の上がり方がものすごいfoil-GEM では 8kV/cm 程度まで linear-scale で上昇 [S.Bachmann et al., NIM A438, 376 (1999).]

VGEM = 1300V

Edrift=150V/cm

type1 VGEM:Etrans:Einduct=1:2.5:2.5

type2 VGEM:Etrans:Einduct=1:2.5:5

type3 VGEM:Etrans:Einduct=1:5:5

1

10

100

1000

900 1000 1100 1200 1300

ASD

pul

se h

ight

[m

V]

ΔVGEM [V]

Double GEM #0type1type2type3

HV divider は右の 3 種類を試す

Einduct/Etrans dependence of #0

予想通り、 Einduct を上げることにより安定に gain を稼ぐことが出来る

ASD-analog の限界


1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

1.E+06

900 1000 1100 1200 1300

effec

tive

gai

n

ΔVGEM [V]


1

10

100

1000

700 800 900 1000 1100 1200 1300

ASD

pul

se h

ight

[m

V]

ΔVGEM [V]

Double GEMGEM #0

GEM #1

GEM #2

GEM #3 (HV-type1)

GEM #5 (Carbon)

TGEM dependence of #0,1,2,3,4,5

200m TGEM は P10,1atm では使えない !

Edrift=150V/cm

VGEM:Etrans:Einduct=1:2.5:5

1.0E+02

1.0E+03

1.0E+04

1.0E+05

700 800 900 1000 1100 1200 1300

effec

tive

gai

n

ΔVGEM [V]

Double GEMGEM #0

GEM #1

GEM #5


GEM #2,3 は raw-signal 見えないため表示無し

GEM #4 (200m, w/o Rim)は signal 見えず

raw signal, ASD signal, ADC of #5(Carbon)




gain~6.9x103

raw signal

ADC

ASD signal

res~12%()

Einduct/Etrans dependence of #0,1,2,5

[w/ Rim] は gain で limit 、 [w/o Rim] は HV で limit されるようだ

1

10

100

1000

900 1000 1100 1200 1300

ASD

pul

se h

ight

[m

V]

ΔVGEM [V]


1

10

100

1000

800 900 1000 1100 1200

ASD

pul

se h

ight

[m

V]

ΔVGEM [V]


1

10

100

1000

800 850 900 950 1000 1050 1100 1150

ASD

pul

se h

ight

[m

V]

ΔVGEM [V]

Double GEM#2

type1

type2

type3

1

10

100

1000

700 750 800 850 900 950 1000

ASD

pul

se h

ight

[m

V]

ΔVGEM [V]

Double GEM#5

type2

type1

type3


time dependence of #0,1,2,5

Cu electrode では時間と共に gain が下がる 1 時間程度で落ち着く

Edrift=150V/cm

VGEM:Etrans:Einduct=1:2.5:5

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 20 40 60 80 100

rela

tive

gai

n

time [min]

Double GEM

GEM #0 GEM #1GEM #2 GEM #5 (Carbon)

その他気がついたこと

spark の後は、 gain が上がる ( 大きいと 2 倍程度 ) ように見える　特に Rim 有りはその傾向が強い　回復に 0.5~1.5 時間程度を要する

Einduct を上げすぎると、 ( 当たり前だが )parallel plate multiplication が起こる GEM のゆがみのせいで pad に近くなって以下のような状態になった

Rim 有りの TGEM は、原因不明で結構大きい +charge の signal が見える　固定をしっかりすることによりある程度減るが、完全に無くならない…


J-PARC E15 は K 中間子原子核を探索する実験である Z-vertex-resolution 向上のための upgrade として、 TGEM

を用いた TPC を開発中である 400m TGEM 、 RTGEM は ( 使い方を間違わなけ

れば ) 十分実用レベルに達していると思われる

GEM の均一性 ? ion-feedback の study を行う　　結果によっては filter として 3 枚目の TGEM

を導入 RETGEM もう少し頑張る実機での使用を仮定して、 90Sr を用いて外部トリガーによる評

価を行う実機に向けた TGEM の仕様決定・デザインを行う 2009 年夏、 TGEM-TPC は完成予定

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