J-PARC E16実験のための GEM飛跡検出器の磁場中での性能評価

東大理A, 理研B, 高エネ研C 中井恒A, B，青木和也C，荒巻陽紀B，延與秀人B，小沢恭一郎C， 小原裕貴A，川間大介B，菅野光樹A, B，小松雄哉A, B，渋川卓也A， 関本美知子C，高橋智則B，桝本新一A，村上ひかりA，森野雄平B， 四日市悟B，渡辺陽介A，for the J-PARC E16 collaboration

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Contents• Introduction - J-PARC E16実験 - GEM Trackerの要求性能 •磁場中での動作について - Magboltzによる計算 • J-PARCハドロンホールにおける大型双極電磁石（FM電磁石）を用いた試験 - 最大磁場約0.7 Tesla - 紫外線レーザーを用いた測定 - 55Feを用いた磁場中でのGain変化の測定 - 結果について •まとめと今後

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J-PARC E16実験•標的 : CH2, C, Cu, Pb •目標値 - KEK E325実験の100倍の統計量 ‣ビーム強度 10倍 ‣生成断面積 2倍 (12 -> 30 GeV) ‣アクセプタンス 5倍 - 質量分解能 5 MeV/c2

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• Trackerの要求性能 - 計数率耐性 5 kHz/mm2 - 位置分解能 100 μm - > GEMを用いたTracker

E16実験で期待されるスペクトル

GEM Tracker4

Gas: ArCO2 (70:30)

GEM (50 μm) 3枚

Drift gap (6 mm, 3 mm)

Induction gap (2 mm)

strip読み出し

Drift field (600 V/cm)

350 μm pitch

Transfer gap (2 mm)

Drift cathode (Al-Mylar)

Transfer gap (2 mm)

track

HV1

HV2

Gas IN Gas OUT本実験用

プロトタイプ

1 MΩ

2 MΩ

2 MΩ

2 MΩ

1 MΩ

1 MΩ

Lorentz angle (simulation)

•磁場と電場の向きが直交しているため、ドリフト電子は、Lorentz angleによる効果を受ける • Drift gapとTransfer、Induction gapでは電場の大きさが異なるため、Lorentz angleの大きさも異なる

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B field [Tesla]0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Lore

ntz

angl

e [d

egre

e]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

E field = 300 V/cm (Drift gap)E field = 600 V/cm (Drift gap)E field = 900 V/cm (Drift gap)E field = 1200 V/cm (Drift gap)E field = 3600 V/cm (Transfer gap)

ArCO2 (70:30), 760.0 mmHg, 293.15 K

Drift gap 300 V/cm ~ 900 V/cm

Transfer gap 3600 V/cm ~ 4000 V/cm

Magnetic field < 1.8 T

e

FM電磁石

レーザー暗箱

検出器暗箱 ~ 3 m

磁場テストセットアップ• Al-Mylarは紫外線を通さないので、プロトタイプチェンバー+Quartz window+Cathode mesh • YAGレーザー - 波長 : 266 nm - Pulse length : 4 ~ 6 ns •GEM Trackerに対して30度傾けて入射 •最も移動する距離が大きいのがDrift gapの一番上で生成された電離電子である •このShiftの大きさを前もって知っておくことは本実験において重要

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レーザー

Mesh

クォーツ窓

Drift gap

GEM

E=300 V/cm ~ 900 V/cm

E=3600 V/cm GEM

GEM

コリメーター（1 mm）

w/o B

w/ B

FADCの波形について

• GEM表面で出来た光電子による信号と、多光子過程によるガス電離の信号の両方が得られる •解析にはガス電離による信号のみを用いる •電離clusterの端の信号が、Drift gap最上部で出来た電子によるものだと考えられる - この信号の位置でLorentz angleの効果を見積もる

8

t

光電効果

ガス電離

電離clusterの端 strip ID

磁場テスト結果

• Drift gap最上部で出来た電子の磁場ゼロの時の位置からの移動距離と磁場の大きさの関係 •実線がMagboltzによる計算結果、点が測定結果 •定性的には正しいが、10%～30%系統的にずれている

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B field [Tesla]0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

Shift

[mm

]

0

0.5

1

1.5

2

2.5 E=300 V/cmE=600 V/cmE=900 V/cm

磁場中でのGEMのEffective gain

• 5.9 keVのX線の全吸収ピークを比較 •磁場 ～0.7 Tで20%程度のGainの低下が確認された - GEMの印加電圧をあげることで十分対処可能な量 - そもそも、GEM TrackerではGainの絶対値を知る必要は無い

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hEntries 10172

Mean 97.12

RMS 25.26

Underflow 0

Overflow 16

Integral 1.016e+04

0 50 100 150 2000

50

100

150

200

250

hEntries 10172

Mean 97.12

RMS 25.26

Underflow 0

Overflow 16

Integral 1.016e+04

55Fe foil signal hEntries 10124

Mean 89.78

RMS 25.32

Underflow 0

Overflow 8

Integral 1.012e+04

hEntries 10124

Mean 89.78

RMS 25.32

Underflow 0

Overflow 8

Integral 1.012e+04

hEntries 10125

Mean 73.97

RMS 22.88

Underflow 0

Overflow 15

Integral 1.011e+04

hEntries 10125

Mean 73.97

RMS 22.88

Underflow 0

Overflow 15

Integral 1.011e+04

0 T 0.35 T 0.69 T

~20%

PADC

ADC value0 T 1010.35 T 940.69 T 78

まとめと今後• J-PARC E16実験では高統計、高分解能のベクトル中間子の電子陽電子崩壊チャンネルを用いた不変質量スペクトルを得ることが目標である - 高計数率耐性、高位置分解能のためGEM Trackerを採用し開発を行っている - 最大1.8 Tの磁場中で動作することが要求されている •大型双極電磁石を用いた磁場中試験を行った - レーザーを使ってLorentz angleの測定を行った ‣Magboltzによる計算と10～30%程度の不一致 - 磁場によるGainの変化を測定した ‣0.7 Tで20%のGainの減少

•今後 - Lorentz angle測定の誤差の更なる理解、新しい測定が必要 - 本実験でのLorentz angleの補正方法の確立

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Backup

90

0

�

������

FM��������

�

655

�1760

150 �

�����

�

������

800 950 850

475

900

��� �

磁場テストセットアップ13

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䊚䊤䊷

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㪌㪇㪇

700

850

600䉻䊮䊌䊷

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GEM Tracker (30度回転)