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 東京工業大学 徳田 真 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 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)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 バーテックス検出器(TGEM-TPC) 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 ・ 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 sz[mm] ・ CDS全体のビーム軸方向位置分解能(σz)：6mm→2mm 14 12 Z-Vertex Chamber 10 8 6 4 2m 2 0 10-1 CDS : Cylindrical Detector System 1 10 102 ZVC z-resolution[mm] pp-崩壊に対するビーム方向位置分解能 バーテックス検出器の設計 筒状のTPC(Time Projection Chamber)型検出器 荷電粒子 P10ガス(Ar:CH4=9:1) フィールドケージ R/O 等電位線 増幅器 R/O pad ドリフト電子 フィールドケージ 磁場 Padに より位置 が決まる (ビーム軸方向) ドリフト時間から距離を測定 フィールドケージ 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 R/O 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 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 GEM(一般的なfoil-GEMは50mm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(〜400mm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 TGEM@RIKEN 孔径：300mm TGEM断面図と電気力線 増幅 電子雪 崩 厚さ:400mm DVGEM~1kV Garfieldによるシミュレーション TGEMの開発 大きさ10cm×10cmのTGEM作製 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？ P10 gas flowing 1 atm 55Fe 11mm 2mm 2mm TGEM Double GEM setup drift mesh X線 電子 TGEM 1 ΔVGEM TGEM 2 ΔVGEM R/O pad 出力 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 test chamber TGEMの種類 TGEMの構造 孔径 300mm 厚さ 400mm 500mm 200mm 放電防止の加工 Rim構造 Rimの大きさ(30,50,100mm) 高抵抗極板 Carbon-TGEM Hybrid-TGEM C Cu C C 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[mm] Hole-diameter[mm] Rim[mm] 1 Cu 200 300 50 ×2 2 200 500 - ×2 3 400 300 - ×5 4 400 500 - ×2 400 300 30 ×2 6 50 ×2 7 100 ×2 5 Cu 8 C 400 300 - ×17 9 C 600 300 - ×2 10 C/Cu 400 300 極板の大きさは全て10cm×10cm ×4 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 1 Cu 2 3 Cu Thickness[mm] Hole-diameter[mm] 200 300 孔径：300mm、厚さ：400mmが高い増幅度 200 500 Rim[mm] 50 ×2 - ×2 400 300 - ×5 400 500 - ×2 400 300 30 ×2 6 50 ×2 7 100 ×2 - ×17 - ×2 4 5 Cu 8 C 9 C 10 C/Cu 400 300 Carbonは現在study中 600 300 400 300 極板の大きさは全て10cm×10cm ×4 No 3、5、10について増幅度のグラフを次に示します 11 TGEMの増幅度 Cu w/Rim 30mm Hybrid-TGEM Cu non Rim Cu C 1.0E+05 Hybrid-TGEM effective gain 55Fe 1.0E+04 TGEM 1 TGEM 2 ΔVGEM ΔVGEM 必要な増幅度 w/Rim 30μm Cu non Rim 1.0E+03 Hybrid-TGEM w/30μm Rim R/O pad Cu nonRim 1.0E+02 800 850 900 950 1000 1050 ΔVGEM[V] 放電防止の処理により、増幅度104以上で安定に動作 1100 長時間動作実験(rawデータ) 30μm Rim TGEM gain=2.5×104 DVGEM up gain=1.0×104 5日 10日 Hybrid-TGEM 線源を外したため、信号がないだけで、問題は無い gain=2.5×104 DVGEM up gain=1.0×1045日 10日 15日 20日 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 25日 長時間における増幅度の安定性(P/T補正) 30μm Rim TGEM 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？ gain=2.5×104 HV up 5日 10日 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 Hybrid-TGEM HV off type4 → type2 HV on gain=2.5×104 HV up 5日 10日 15日 20日 25日 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） TGEM-TPCの開発状況 実際のTGEM-TPC R/O pad size 4mm×20mm 28 cm HV connector R/O Gas connector TGEM pad数 4×4×9=144 field cage •FPC基盤 •8mm strip •10mm pitch •double sided 10mm 8mm 2 cm TGEM-TPCの現状 15mV HV connector Gas connector ・ 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) 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 3He K- Formation K-pp cluster neutron Decay Mode to decay charged particles pDecay p p E15実験detector setup Cylindrical Detector System n p p 1GeV/c K- beam Neutron ToF Wall p- Beam Sweeping Magnet K−ppの崩壊チャンネル 崩壊したは約550 MeV/cを持つ →平均飛行距離 4cm程度 ・ 崩壊したSは約 200 MeV/cを持つ S+の平均飛行距離 4mm程度 S+の測定： に比べSの平均飛行距離はおよそ1/10→p崩壊の測定 を狙ったCDSは位置分解能向上が必要になる 増幅度の計算方法 30mmRimTGEM P10, 1atm DVGEM = 983V 55Fe X-ray 100ns プリアンプ 200mV 1mV プリアンプアウト プリアンプ出力 読み出しの出力信号 1.0E+05 effective gain main peak 1.0E+04 escape peak 1.0E+03 1.0E+02 850 900 950 1000 ΔVGEM [V] 1050 増幅度の測定グラフ 1100 ADCスペクトラム ADC 増幅度の測定パラメーター依存 55Fe 1.0E+05 drift mesh 1.0E+04 ED=150 V/cm ΔVGEM TGEM 1 ET TGEM 2 1.0E+03 ΔVGEM EI R/O pad effective gain spark 1.0E+02 850 950 1000 1050 1100 ΔVGEM [V] 1.E+05 1.0E+05 effective gain ΔVGEM=900V ΔVGEM=940 ΔVGEM=980V ΔVGEM=1020V 1.0E+04 effective gain 900 1.0E+03 1.E+04 1.E+03 ΔVGEM=900V ΔVGEM=940V 1.E+02 1.0E+02 0 1000 2000 3000 4000 ET [ V/cm] 5000 6000 0 2000 4000 6000 EI [ V/cm] 8000 10000 TGEMの増幅度 TGEMの構造 孔径 厚さ 300mm 400mm 500mm 200mm ΔVGEM (孔径300mm) (厚さ400mm) 1.0E+05 1.0E+05 spark 孔径300mm 1.0E+04 1.0E+03 孔径500mm 1.0E+02 1.0E+01 effective gain effective gain 1.0E+04 厚さ400mm 厚さ400mm 1.0E+03 1.0E+02 1.0E+01 500μm 300μm 1.0E+00 800 850 900 950 1000 ΔVGEM [V] 1050 1100 1150 厚さ200mm 厚さ200mm 400μm 200μm 1.0E+00 0 1000 2000 3000 EGEM [V/cm] 4000 5000 6000 P/T補正曲線 補正前 P/T 相関 補 正 補正曲線 補正後 長時間のエネルギー分解能の安定性 30μm Rim TGEM HV up 10日間 Hybrid-TGEM HV up HV off type4 → type2 HV on 25日間 実際のTPC-R/O用TGEM 9角形TGEM 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 R/O-pad パッドの大きさ 4mm×20mm パッド数 4×4×9=144 28 cm 2 cm
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