FTBL実験報告 筑波大高エネルギー原子核実験グループ (PHENIXグループ) 11/29/07~12/6 参加者一覧 坂田洞察（MRPC） 横山広樹（TRD） 池田義雅 稲葉基 江角晋一 加藤純雄 梶谷緑 佐野正人 下村真弥 常鵬 田辺嶺 中條達也 浜田英太郎 益井宙 三明康郎 （５０音順 敬称略） 1 Outline • 研究目的 • 実験セットアップ • MRPC ・MRPC ・設計＆計画 ・結果 • TRD ・TRD ・計画 ・結果 • 今後の展望 実験目的 MRPC(Multi-gap Resistive Plate Chamber) MRPCの汎用化及び、小型MRPCの動作性能確認の為 小型のMRPCを設計し、複数のTypeを製作し、 時間分解能・検出効率について以下の依存性を評価した ・HV依存性 ・入射角度依存性 TRD LHC-ALICE実験で使用するTRDのプロトタイプを用い、検 出器の基本的特性の評価を行う 3 実験セットアップ Scintillation Counter TRD ビームコンディション 床から１２０cmの位置で ５＊５ｃｍの領域に - 8Hz MRPC PbGlass Trig for TOF http://utkhii.px.tsukuba.ac.jp/~sakata/FTBL/trigstat.xls 4 MRPC（Multi-gap Resistive Plate Chamber ） Gas を充填 荷電粒子 読み出しpad PCボード 電極 Outer glass Inner glass 10kV以上の高電圧をかける 異符号の信号 ギャップが十分薄く townsend領域に限定した放電 良い時間分解能 多数のギャップからの誘起電荷の重ね合わせ 検出効率の向上 2 Type of MRPC Single Stack Double Stack これらの実験のR&Dでは50~60ps の時間分解能を得ている。 Single stack 6gaps ~60ps Double stack 5gaps ~50ps (左図の青線) 左図：Double stack 3gap(赤）/5gap(青）の時間分解能vs電場 6 引用 ALICE TOF Technical Design Report 設計 設計方針 MRPCの汎用化及び小型MRPCの動作性能評価 に最適化し設計 2cm 1mm 10cm 6cm • • 10*10cm ボード ガラスエポキシ • Pad 銅箔フィルム 2*6cm ×3 10cm Double stack 5gaps 電極：カーボンフィルム Outer Glass : 1mm Inner Glass : 550umm Gap 幅 : 250um 7 実験計画 本実験で行った評価 Single stack 4,6,8,10,12gap(5type) Double stack 3,4,5,6,7 *2 gap(5type) Gap 幅 235um Gas mixture C2H2F4(R134a) 90% C4H10(iso-butane) 5% SF6 5% ・入射位置依存性 ・印加電圧依存性 10-13[kV/mm] ・入射位置依存性 ・入射角度依存性 0-90[度] ・入射角依存性 回転軸 8 誘起電荷分布 ADC[ch] E=9.9[kV/mm] A=0° 上段：MRPCの電荷分布(10倍AMP後) 下段：MRPCのTOFvs電荷相関 ADC[ch] E=12.8[kV/mm] A=0° ADC[ch] E=12.8[kV/mm] A=60° ・MRPCの電荷分布は その電場及び角度に応じて増加 ・本実験において、Slewing効果 は殆ど見られず 補正は行っていない ADC[ch] ADC[ch] 時間分解能＆検出効率のType 依存性 固有時間分解能 Single stack 6gaps 87ps+-7 @ 12.1kV/mm Double stack 5gaps 74ps+-6 @ 11.3kV/mm Good Efficiency 12kV/mm~ 10 時間分解能と検出効率 MRPC START 40cm TOF = t MRPC t start Resolution of MRPC = TOF [ch] 2 TOF t2 検出粒子数 Efficiency = 入射粒子数 TOF分布(１ch=24ps) Double stack 5gaps E=12.8kV/mm start 11 入射角度依存性① () 60度までは、通過距離に応じて 電荷平均値が推移している Double stack 5gap E field 11.3kV/mm () 角度に応じ、検出効率がよくなる。 より高い電場での評価も必要 12 入射角度依存性② Double stack 5gap E field 11.3kV/mm 回転軸 () 0-40度まで角度に応じて 分解能の劣化が見られる。 13 MRPCまとめ • Single stack 4,6,8gaps Double stack 5gaps の時間分解能・検出効率について、 印加電圧依存性・入射 角依存性・位置依存性を評価した Single 6gap及びDouble 5gapでは12kV/mm以上で 100ps以下の分解能で99%以上の検出効率が得られた • 課題 未だテストをしていないTypeの検出器の評価（宇宙線・ビーム） 角度依存性についてより高い印加電圧での評価 もう一方の軸に対しての角度を評価 精度のよい位置検出器を用いて位置依存性を評価 （TRD？他のDetector?） 14 TR(遷移放射) • 相対論的な荷電粒子が誘電率の異なる物質間を通過する際のX線放射 – 通過前後での荷電粒子の作る電場は不連続となるので、その電場を補うとき に放射が発生する – 全放射エネルギーはローレンツ因子γに比例する TR-photonの効果が顕著 TR強度 αz 2 ℏω W= γ 3 遷 移 放 射 強 度 運動量 •大きいγでは放射光の干渉が起こるため強度の飽和が起こる •運動量1GeV/c以上の電子によって遷移放射が起こる z : 入射粒子の電荷 : プラズマ振動数 ローレンツ因子の違いにより 1～100GeV/cの電子とそれより重い荷 電粒子の識別にTRは効果的である 15 TRD-prototype •radiator部/drift chamber部 1.Radiator部でTR-photonが発生する。 2.Drift regionでTR-photonと一次荷電粒子が電離を起こし、電 子が発生する。 3.電子がanodeに向かいドリフトし、anode wireに吸収される。 4.3のときcathode padsに誘起されたシグナルを検出する。 FADCによる読み出し シグナルの波高とパッドの位置、時間から 飛跡を算出する 16 測定項目 • アノード電圧依存性（シグナルの増幅率） • ドリフト電圧依存性（シグナルの減衰,ドリフト速度） • ガス依存性（Ar+CO2(85,15),Xe+CO2(85,15)の違い） • TR-photonの吸収（absorption lengthの評価） • 位置分解能の入射角度依存性 の評価を行った パッド方向へのシグナルのシェア • パッド方向の波高分布より重心を求める。 • 重心からの距離とそれぞれのパッドの波高の分布を計算した。 • シグナルのパッド方向へのシェアは３パッドよりも小さいことがわかる。 18 各々の時間binでの波高を、最大の波高を持つpadとその両端のpadの波高の和とする シグナル すべてのイベントについてパルスの時間分布の平均を求め、 そのグラフから、各パラメータ（ドリフト時間、増幅領域での波高など）を決定する。 1イベントのパルスの時間分布 Xe+CO2(85,15)ガスの ラディエータあり/なしの平均波高 波 高 青：without radiator 赤：with radiator 時間 すべてのイベントに おいて平均をとる TR-photon 増幅領域での波高 平 均 波 高 ドリフト時間 さまざまなパラメータを 19 取りだすことが可能 Drift Region Amplification Region 19 アノード電圧と増幅率 Arベースのガス によるグラフ 平 均 波 高 Xeベースのガス によるグラフ 平 均 波 高 時間 ドリフト電圧 -2100V アノード電圧 黒：1500V 赤：1450V 緑：1400V 青：1350V 黄：1300V 時間 アノード電圧vs増幅率 青：Ar+CO2(85,15) 赤：Xe+CO2(85,15) 増 幅 領 域 で の 波 高 電子雪崩による増幅率はアノード 電圧の指数関数として表すことが できる 20 アノード電圧 ドリフト電圧とドリフト速度 Arベースのガス によるグラフ 平 均 波 高 Xeベースのガス によるグラフ 平 均 波 高 時間 アノード電圧 1500V ドリフト電圧 黒：-2100V 赤：-2000V 緑：-1900V 青：-1800V 黄：-1700V 時間 電場vsドリフト速度 青：Ar+CO2(85,15) 赤：Xe+CO2(85,15) ド リ フ ト 速 度 ドリフト速度とドリフト領域での電場 との線形性が見える。 Arガス中のほうがXeガス中に比べ、 電子のドリフトが約3倍速い 21 ドリフト領域の電場 ドリフト時間と電子のアタッチメント 電子のアタッチメントによる シグナルの減衰 a/bをattachmentの指標 とした b 電離電子がドリフトす るとき、ガス中の水 素や酸素による吸着 が起こり、シグナル が減衰してしまう。 それが、ドリフト時間 にどのように影響す るのか調べた。 a a/b 青：Ar+CO2(85,15) 赤：Xe+CO2(85,15) 電子の滞在時間 水素や酸素によるシグナルの減衰は 電離電子のチェンバー内に滞在する時間に指数関数的に依存する 22 ラジエーターの有無による遷移放射(1) •TR-photonの吸収量を評価するためにラジエーター無しのグラフがフラットになるよ うに補正を加えた。 補正前 Xeベースのガス によるグラフ 平 均 波 高 補正後 アノード電圧 1500V ドリフト電圧 -2100V 赤：ラディエータあり 青：ラディエータ無 平 均 波 高 時間 時間 Arベースのガス によるグラフ 平 均 波 高 補正前 補正後 平 均 波 高 23 時間 時間 ラディエーターの有無による遷移放射(2) •ラディエーターありのグラフとなしのグラフの差を取り、横軸をDetectorの厚 みに変換した（TR-photonによる波形） •指数関数によるfitのSlopeからそれぞれのガスでのabsorption lengthを計算 した TR-photonの吸収 吸収長(absoption length)は 89.1mm(inAr) 10.2mm(inXe) 青：Ar+CO2(85,15) 赤：Xe+CO2(85,15) 検出器の厚み(mm) 今回使用したTRDの厚さは30mmなので、 TR-photonの吸収はXeでは95%,Arで は28%である。 TRDはより多くのTR-photonを吸収する 必要があるのでガスの選択としてはXeの 24 ほうが適当である。 飛跡検出器としてのTRDの性能 重心計算に よって位置 を求める パッド番号 パ ッ ド 番 号 時間 時間 入射角度20° 入射角度 1pad(=8mm) 分解能 0° 391.0±10.7μm 10° 604.5±28.4μm 20° 1071±22μm 30° 1614±45μm この点で飛跡を引く この点と飛跡の差 のばらつきを見る 位置分解能は入射角度0度で 25 400μmとなった。 TRDまとめ まとめ ALICE実験のためのTRD prototypeの性能を調べた シグナルの増幅率はアノード電圧の指数関数として表すこ とができる。 ドリフト速度は、電場・ガスに依存し、電子のアタッチメントは ドリフト時間に依存する。 TR-photonの吸収長はXeで10mm、Arで89mmであった。 PIDの要求からガスはXeベースのガスが適当である。 位置分解能は入射角度0度で391μmとなった。 26 今後の展望 MRPC 宇宙線テストベンチで実験を行い、ノイズ対策や 動作を確認できていないMRPCについても評価をし 再度テストビームに望みたい TRD 卒業論文として提出及び発表 ガス中の水素や酸素による吸収が大きかったため それを除去したうえでより良い実験を行いたい 外部検出器による位置分解能の測定を行うため、精度のよ い位置検出器を用いた再実験を行いたい 27 最後に 川崎先生、幅先生をはじめ 多くの皆様にお世話になりました。 本当にありがとうございました！ （筑波グループ一同） 28
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