J-PARC E16実験のためのGEM Tracker開発

J-PARC E16実験のためのGEM
Tracker開発
渡辺陽介
for E16 collaboration
東大、理化学研究所共同研究
KEK測定器開発室のサポート 1
Outline
①GEMTrackerの開発目的
②GEM chamberのセットアップ
③ビームテスト結果
④まとめ
2
GEM Trackerの開発目的
1セクター
これが26個

原子核中でのφ中間子質量の測
定
 φ->e++e-
3層のGEMチェンバーで磁場中
の位置を出し運動量を決める
 要求性能

GEM Tracker
ビーム平面で見た図
 ~100μm の分解能
 ハイレートへの耐性(5kHz/mm2)
 少ない物質量(1チャンバーにつ
き~0.1% )
3
GEM Chamber
決めるべきパラメータ
①. Beam induced electron 収集部
-長さ
-電場
１
２
②電子増幅部
-GEM geometry
３
XPI
③2次元ストリップ読み出し部
double-side
single-side
350μm
700μm
D
XCu
700μm
D
X
width：表70μm 裏290μm
pitch:：350μm
KEK宇野さんのアイデア
XPI
XCu
D
70
~90 50
45
75
X
D
70
50
70
100
50
- gas: P10 or Ar70% CO230%
4
エッチングGEMの性能
今までレイテックにつくっていただいていたGEMは穴径がCERNなどと比べて
大きかった。
XPI XCu D
XPI
① 70 ~90 50
D
② 45
75
50
XCu
最近新しく穴の小さいGEMをつくった
NEW etching
4
枚
/
3
枚
φ70 D50 レー
ザー
OLD etching
ゲインが大幅に改善した
P10, 55Fe
GEM一枚あたりの電圧
5
ビームテスト解析手順
Hit position determined by
Silicon Strip Detector(SSD)
SSD
beam
残差
Events
GEM
SSD
Hit position determined by
GEM chamber
Center Of Gravity
Q3
Q1
Q2
Q X
Q
i
Q4
i
Q5
X1 X2 X3 X4 X5
i
i
i
difference mm
-Multiple scattering
-Tracking Accuracy
位置分解能
6
テストしたセットアップ
GEM
読み出し
gas
dD mm 入射角度
①
(XPI70, XCu90, D50) 3枚
Single-side 700
P10
11mm
0,15
②
(X70,D100)+(X70,D50)
3mm
0,15,30,45
③
(XPI45, XCu75, D50) 3枚
6mm
0,15,30,45
3mm
0,15,30,45
Double-side 700
④
⑤
ArCO2
3.5mm 0,15,30,45
11mm
先
0,15,30,45 週
1mm
0,15,30
⑧
3mm
0,15,30
⑨
6mm
0,15,30
⑥
⑦
Double-side 350
7
セットアップ①
P10
11mm 500V/cm
穴の大きいGEM 3枚
(gain ~2000)
結果
0
15
106μm
470μm
single-side 700μm
Et: 1700V/cm
Ei: 1700V/cm
100umは達成可能
ドリフトギャップが広いためななめ入射に対しては弱い
8
セットアップ②
P10
3mm 1500V/cm
100μm+50μm
(gain ~6000)
single-side 700μm
結果
0
15
30
160μm 270μm 470μm
Et: 3400V/cm
Ei: 3400V/cm
ななめ入射の改善
正面入射の悪化
•種の数の見積もり ~3個 (Collection Effiiciency 0.15)
ダメ
OK
•collection efficiency (Egem/Ed,Geometry)
•GEM1枚あたりにかける電圧
50μm
100μm
340V
285V(/50 μm)
→
50μmGEMのほうが有利
9
以下先週のテスト
P10
Et: 3400V/cm
Ei: 3400V/cm
ArCO2
Et: 3800V/cm
Ei: 3800V/cm
Raytech 穴の小さい
GEM
ガス
•ArCO2
•P10
Drift gap
読み出し
X
•Double-side 700μm
•Double-side 350μm
X
•1mm
•3mm
•6mm
•11mm
10
残差(μm)
ドリフト電場と分解能
dD=6mm
正面入射
P10 700pitch
preliminary
ドリフト電場(V/cm)
dD=6mm
15度入射
残差(μm)
穴の小さいGEM 3枚
Tracking resolution : ~50μm
preliminary
P10 700pitch
ArCO2 350pitch
ドリフト電場(V/cm)
強すぎるドリフト電場
→収集効率の悪化（電気力線
GEMの上面に行ってしまう）
→分解能の悪化
GEMにかけている電圧
-P10:340V
-ArCO2: 380V
→P10のほうがドリフト電場の影響
うけやすい
11
ドリフトギャップと分解能
残差(μm)
30度
preliminary
ドリフトギャップの広さは傾きが
大きいほど顕著に効く
15度
0度
目標値(再)
- 入射角0-30について100μm。悪く
ても200μmはほしい。
15度まで200μmに収まるセット
アップは可能
ドリフトギャップ mm
ArCO2, double-side 350μm pitch
ADCの情報だけで30度まで100μmを
達成するのは不可能
12
ガスとストリップピッチ①
ガスの諸性質
σT(μm/cm^(1/2)
①
横方向の広がり
760Torr
MAGBOLTZ simulation
P10
② ゲイン
ArCO2: ~20000
P10
~10000
ArCO2のほうが安定に高いゲイ
ンを出せる
ArCO2
正面入射結果
ピッチ
700
preliminary
350
電場(V/cm)
ガス
dD
本数
残差
P10
3
~4
137
ArCO2
3.5
~2
105
P10
6
~7
116
ArCO2
6
~4
87
•ArCO2のほうが分解能
が良くなっている
-電子の広がりの効果?
13
ガスとストリップピッチ②
電子の広がりの大きさ
定義
preliminary
Qi/Q
Xi
結果
hit位置
preliminary
mm
700μm
350μm
MAGBOLTZ
P10
610μm
630μm
~600μm
ArCO2
380μm
350μm
~240μm
• P10はMAGBOLTZの結果と大体一致
• ArCO2の結果がSimulationをうまく再現していない
- 電子の広がりそのものをみているわけではない？
14
Double-side のシグナル
裏面のシグナルのオーバーシュートが顕著
カーボン
＋
塗布
復活・・
アクリル系接着剤
解決！？
表裏の電荷の比
KEK大下さん、田中さんありがと
うございました
Ｘ線
•
•
表/総電荷
9割近く表に落ちる
single-sideの場合は4割が表に落ちる
15
Double side 裏面の結果正面入射
結果
ピッチ
ガス
dD
Efficiency 残差
700
P10
3
75%
240μm
11
98%
154μm
ArCO2
3
89%
154μm
ArCO2
3
86%
124μm
11
97%
110μm
preliminary
350
裏に落ちる電荷が少ないためEfficiencyが悪くなってしまっている。
十分電荷がありさえすれば裏でもEfficiency,分解能は出る。
•これ以上どうやってゲインを上げるのか・・・
16
時間情報を用いた解析(一例)
ArCO2 double-side 700μm dD=11mm ED=500V/cm
入射角 15度
①signalが来たタイミングを決める
1ch=4mV
preliminary
Thalf
1ch=10nsec
②最小2乗フィット
x
x
vd x Thalf
x
Xtiming
ドリフト方向の
位置
x
時間情報によるResidual
vd=1.3cm/μsec。Magboltzとconsistentな値。
preliminary
ADC情報によるResidual
17
まとめ
電荷の情報だけでも15度まで分解能100μm台は達成
可能
30度になると、電荷情報だけではきつい
タイミング情報は位置を求めるのに使える。ちゃ
んとした解析はこれから
18
Backups
19
読み出し
セットアップ①と②
ストリップ
チャージ積分型プリアンプ
200mV/pC
(KEK psで使っていたらしい。
Belleと同じ？)
ポストアンプ
10倍
VME v792
先週のセットアップ
ストリップ
チャージ積分型プリアンプ
3.2V/pC
RPV-160 Flash ADC
20
追加事項
電荷の重心でもとめた分解能はもっと改善する
残差(mm)
ストリップの周期で残差をかさね合わせた
COGで位置を求めることによる構造が見え
てしまっている
mm
21
Magboltz Simulation
Ar 70% CO2 30%
拡散定数(μm/sqrt(cm))
ドリフト速度 cm/μsec
P10
22

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