J-PARC におけるK 中間子深束縛核探索実験 (E15 実験 )

のための TGEM-TPC 開発

for the J-PARC E15 Collaboration 　徳田真 , 味村周平 A,G.BeerB, H.BhangC, M.BragadireanuG,P, P.BuehlerD, L.BussoE,F, M.CargnelliD, S.ChoiC, C.CurceanuG, 橋本直 J, 早野龍五 J, 平岩聡彦 I, 飯尾雅美 L, M.IliescuG, 井上健太郎 H, 石川隆 J, 石元茂 M, 石渡智一 J, 板橋健太 L, 岩井正明 M, 岩崎雅彦 ,L, P.KieleD,N, 康寛史 , J.MartonD, 松田恭幸 O, 溝井浩 K, O.MorraE, 永江知文 I, 野海博之 A, 大西宏明 L, 岡田信二 G, 應田治彦 L, D.PietreanuG, 佐田優太 I, 坂口篤志H,佐久間史典 L, 佐藤将春 J, 関本美知子 M, D.SirghiG,P, 鈴木謙 D, 鈴木祥二 M, 鈴木隆敏 J,竜野秀行 J, 友野大 L, 豊田晃久 M, 塚田暁 L, 山崎敏光 J,L,H.YimK, J.ZmeskalD

東工大理 , 阪大 RCNPA,Victoria 大 B, ソウル国立大 C,SMID,INFN-TorinoE,Torino 大 F, INFN-LNFG, 阪大理 H, 京大理 I, 東大理 J, 大阪電通大 K, 理研 L,KEKM, ミュンヘン工大N, 東大教養 O,IFIN-HHP

東京工業大学　徳田　真

• バーテックス検出器 (TGEM-TPC) について

• TPC 読み出し用増幅器 TGEM の開発• TGEM-TPC の開発状況• まとめ

J-PARC におけるK 中間子深束縛核探索実験 (E15 実験 )

のための TGEM-TPC 開発

バーテックス検出器 (TGEM-TPC)

CDS : Cylindrical Detector System

Z-VertexChamber

E15 実験に用いる CDS 位置分解能向上のためのバーテックス検出器

2m

・ ビーム軸方向位置分解能 (σ)1mm のバーテックス検出器を開発

・ 設置箇所：飛跡検出器群 CDS の最も内側

・ CDS 全体のビーム軸方向位置分解能 (σz) ： 6mm→2mm

10-1 1 10 102

14

12

10

8

6

4

2

0

ZVC z-resolution[mm]

z[m

m]

→p- 崩壊に対するビーム方向位置分解能

~500mm

280m

m

170m

m

drift length ~300mm

バーテックス検出器の設計

一定の電場勾配を形成電離電子をドリフトさせる(R/O へ )ビーム軸方向＝ドリフト方向

フィールドケージ読み出し回路 ( 全体で 2cm)プレアンプ ( タイミング読み出し )読み出し前の増幅器

R/O

フィールドケージ

R/O

R/O pad

荷電粒子

増幅器

( ビーム軸方向 )

Pad により位置が決まる

ドリフト電子

磁場

等電位線

フィールドケージ

P10 ガス (Ar:CH4=9:1)

ドリフト時間から距離を測定

筒状の TPC(Time Projection Chamber) 型検出器

読み出し領域が狭いためワイヤーを張るのは困難→ TGEM を用いる

TGEM の開発

ガス増幅器 TGEM(Thick-GEM) について

TGEM@RIKEN

GEM( 一般的な foil-GEM は 50m 厚 )無数の小さな孔を持つ両面に電極 ( 銅箔 ) の付いた絶縁体電極間に高い電圧をかける事でガス増幅を起こすTGEM(〜 400m 厚 ) の特徴・ 単体で増幅機能を持つため、設置するだけで使える・ 通常の回路基板技術をもちいて作製する事が出来る・ 構造体に対し、有感面積が広くとれる

孔径：孔径：300300mm

TGEM断面図と電気力線

Garfield によるシミュレーション

電子雪崩

厚さ :mVGEM1kV

増幅

11mm

2mm

2mm

drift mesh

TGEM 1

TGEM 2

R/O pad 出力

55FeDouble GEM setup

X 線

電子ΔVGEM

ΔVGEM

TGEM テスト実験・ 増幅度測定： 104以上で動作するか？・ 長期間動作測定：安定かどうか？

10cm10cm

TGEM

TGEM の開発

test chamber

P10 gas flowing1 atm

開発途上の技術であるため、数種類のパラメーターを変えたTGEM を作製し、その性質を調べる

大きさ 10cm×10cm の TGEM作製

CC

Cu

Carbon-TGEM

C

Hybrid-TGEM

高抵抗極板

Rim の大きさ (30,50,100m)

放電防止の加工Rim構造

孔径

400m

厚さ

200m300m 500m

TGEM の構造

TGEM の種類

10

TGEM の種類開発している TGEM(林栄精器 (株 ) に設計、東海電子 (株 ) で作成 )

No. Electrode Thickness[m]Hole-

diameter[m]Rim[m

]1 Cu 200 300 50 ×2

2 200 500 - ×2

3 400 300 - ×5

4 400 500 - ×2

5 Cu 400 300 30 ×2

6 50 ×2

7 100 ×2

8 C 400 300 - ×17

9 C 600 300 - ×2

10 C/Cu 400 300 - ×4

極板の大きさは全て 10cm×10cm

No. Electrode Thickness[m]Hole-

diameter[m]Rim[m

]1 Cu 200 300 50 ×2

2 200 500 - ×2

3 Cu 400 300 - ×5

4 400 500 - ×2

5 Cu 400 300 30 ×2

6 50 ×2

7 100 ×2

8 C 400 300 - ×17

9 C 600 300 - ×2

10 C/Cu 400 300 - ×4

11

TGEM の種類

極板の大きさは全て 10cm×10cm

Carbon は現在 study 中

孔径： 300m、厚さ： 400m が高い増幅度

開発している TGEM(林栄精器 (株 ) に設計、東海電子 (株 ) で作成 )

No 3、 5、 10 について増幅度のグラフを次に示します

必要な増幅度

Hybrid-TGEM

w/Rim 30μmCu non Rim

放電防止の処理により、増幅度 104以上で安定に動作

C

CuCu non Rim Hybrid-TGEM

TGEM の増幅度Cu w/Rim 30m

TGEM 1

TGEM 2

R/O pad

55Fe

ΔVGEM

ΔVGEM

gain=2.5×104

VGEM up

gain=1.0×104

長時間動作実験 (rawデータ )30μm Rim TGEM

30μmRim-TGEM、 Hybrid-TGEMどちらも増幅度 104以上で長時間動作することを確認した

10日

gain=2.5×104

VGEM upgain=1.0×104

Hybrid-TGEM線源を外したため、信号がないだけで、問題は無い

5日

5日 10日 15日 20日 25日

gain=2.5×104

HV up

30μm Rim TGEM

gain=2.5×104 HV off type4 → type2 HV on

HV up

長時間における増幅度の安定性 (P/T補正 )

Hybrid-TGEM

初め数時間で急激に下降し、あとは緩やかに下がっている

P/T以外の時間依存性Rim によって生じるチャージアップ不安定動作か？

Hybrid-TGEM では高い増幅度で安定動作することが確認出来た（ 20%以内 /週間、 5%以内 /日の安定性）

10日5日

5日 10日 15日 20日 25日

TGEM-TPC の開発状況

Gas connector

HV connector

Field Cage

500mm

300mm

R/O pad size 4mm×20mm

pad 数 4×4×9=144

field cage

8mm

10mm

R/O

TGEM

•FPC基盤•8mm strip•10mm pitch•double sided

2 cm

実際の TGEM-TPC

28 cm

TGEM-TPC の現状

・ TGEM-TPC 本体組立完了

・ フィールドケージの高電圧印可 テスト終了。 10kV まで印可

・ ９角形 TGEM により、 TPC 内で 各パッドで線源の信号検出

55Fe 線源の各パッドでの信号 ( プリアンプアウト )

Gas connector

HV connector

Field Cage

500mm

300mm

15mV

まとめ• CDS 位置分解能向上のため TPC を開発• 開発した TGEM は十分に使える　　　増幅度 104以上で長時間動作する事を確認 20%以内 /週間、 5%以内 /日で安定動作を確認

• 線源を用いて TGEM-TPC による信号を確認

これから• 宇宙線、線源、ビームを用いたテスト実

験による TGEM-TPC の性能評価

ご清聴ありがとうございました

Back up

J-PARC E15 実験K−pp 束縛状態の存否を決定的なものとする・ 生成反応による前方中性子の TOF によるミッシングマス測定・ K−pp→p 崩壊の終状態からの K−pp の不変質量を再構成

K-3He

Formation

Decay

K-ppcluster neutron

p

p

-

Mode to decay charged particles

Missing mass

Spectroscopy

via neutron

Invariant mass

reconstruction

Decay

1GeV/cK- beam

CylindricalDetectorSystem

Beam SweepingMagnet

flight length

= 15mp

p

n

E15 実験 detector setupNeutronToF Wall

K−pp の崩壊チャンネル

崩崩崩崩は約 550 MeV/c を持つ→崩崩飛行距離4cm程度

・ 崩壊した崩約200 MeV/c を持つ→ 崩崩崩崩崩崩崩 4mm程度

崩崩崩崩 崩崩崩崩崩崩崩崩崩崩崩崩崩崩→ p 崩崩崩崩崩崩崩崩崩 CDS は位置分解能向上が必要になる

増幅度の計算方法

プリアンプアウト

プリアンプ

30mRimTGEMP10, 1atmVGEM = 983V55Fe X-ray

プリアンプ出力

1mV

100ns

200mV

読み出しの出力信号 ADC

ADC スペクトラム

増幅度の測定グラフ

main peak

escape peak

drift mesh

TGEM 1

TGEM 2

R/O pad

ED=150 V/cm

ET

EI

55Fe spark

ΔVGEM

ΔVGEM

増幅度の測定パラメーター依存

孔径

400m

TGEM の構造厚さ

200m300m 500m

spark

厚さ 200m

厚さ 400m

厚さ 200m

厚さ 400m

( 厚さ 400m)

孔径 500m

孔径 300m

( 孔径 300m)

TGEM の増幅度

ΔVGEM

P/T 補正前

補正後

補正補正

相関相関

P/T補正曲線

補正曲線

HV up

30μm Rim TGEM

HV off type4 → type2 HV onHV up

Hybrid-TGEM

10日間

25日間

長時間のエネルギー分解能の安定性

実際の TPC-R/O 用 TGEM

2 cm

28 cm

TPC 用の TGEM は 9角形

片面の極板を 3 分割する(TGEM の電気容量を抑えるため )

TGEM のほとんどが有感面積

パッドの大きさ4mm×20mm

パッド数4×4×9=144

9角形 TGEM

R/O-pad