LHC-‐ATLAS実験アップグレードに向けた Micromegas検出器の放射線による影響評価 東大理，東大素セA，神戸大理B 山﨑友寛，川本辰男A，片岡洋介A，増渕達也A，齋藤智之，寺尾伸吾， 山谷昌大，越智敦彦B，竹本強志B，山根史弥B，山内悟B 日本物理学会第70回年次大会 2015年3月21日 早稲田大学早稲田キャンパス 21pDL-‐10 LHC-‐ATLAS Upgrade LHC RUN I √s = 7-‐8 TeV L = 0.7 ×1034 cm-‐2s-‐1 phase 0 upgrade RUN II IBL, FTK √s = 13-‐14 TeV L = 1 ×1034 cm-‐2s-‐1 phase 1 upgrade RUN III ATLAS √s = 14 TeV L = 2-‐3 ×1034 cm-‐2s-‐1 phase 2 upgrade New Small Wheel LAr upgrade New Inner Tracker RUN IV √s = 14 TeV L = 5 ×1034 cm-‐2s-‐1 RUN III 以降ではLHCの設計ルミノシティを超える → High Luminosity に 強い検出器 が必要 ! 2015/03/21 日本物理学会第70回年次大会 2 LHC-‐ATLAS Upgrade LHC RUN I √s = 7-‐8 TeV L = 0.7 ×1034 cm-‐2s-‐1 phase 0 upgrade RUN II ATLAS IBL, FTK SW / NSW (エンドキャップミューオン検出器) √s = 13-‐14 TeV L = 1 ×1034 cm-‐2s-‐1 New Small Wheel phase 1 u pgrade Small Wheel (SW) LAr upgrade 現在 34 -‐2 -‐1 L III = 1×10 cm s ( RL UN II )× が 34 cm-‐2s-‐1 √s = 1 4 TeV = 2-‐3 10限界 RUN アップグレード New Inner Tracker phase 2 upgrade New Small Wheel (NSW) 2019〜 IV 高ヒットレートに強い新しい検出器 HL-‐LHCでも運用 √s = 14 TeV L = 5 ×1034 cm-‐2s-‐1 RUN RUN III 以降ではLHCの設計ルミノシティを超える → High Luminosity に 強い検出器 が必要 ! 2015/03/21 日本物理学会第70回年次大会 2 Micromegas Micro-‐mesh gaseous structure Gas Ar 93% + CO2 7% Strip pitch 400 μm Gain O( 104 ) Dri^ velocity 5cm/μsec ✓狭い増幅領域 →高ヒットレートに対応 ✓ resisVve strip →放電に強い 最大ヒットレート 10kHz/cm2 （L = 5×1034 cm-‐2s-‐1) L = 1 ×1034 cm-‐2s-‐1 (SimulaVon) 1000 中性子フラックス O(100) kHz/cm2 中性子のHitによる放電が懸念 2015/03/21 r (cm) 104 kHz / cm2 ATLASの中性子バックグラウンド 高輝度環境での安定動作が重要 103 800 102 600 101 400 1 200 10–1 0 10–2 0 500 SW 1000 日本物理学会第70回年次大会 1500 2000 z (cm) 3 中性子耐性 ビームテスト@神戸大 の結果 Cosmic test ( 2014年秋季大会19aSH-‐8 ) [Hz] Spark RSpark ate Rate [Hz] 中性子環境下で ✓ 放電率測定 ✓ Cosmic test deuteron beam Micromegas 8層 放電率測定 2 100 kHz/cm 100 kHz/cm 1000 kHz/cm 2 1 MHz/cm 2 1 2 安定動作を確認 10-1 ATLASに匹敵する中性子環境でも性能を維持 10-2 10-3 460 9Be target 480 500 10cm × 10cm 520 540 560 580 HV (V) nominal HV HV [v] 検出効率 > 98% 位置分解能 < 100 μm MicromegasはATLASで10年以上運用 → Ageing test を行い，積算ダメージを評価 2015/03/21 日本物理学会第70回年次大会 4 Ageing test ATLASでの長期間に匹敵する中性子フラックスを得るのは難しい → α線を用いて大きなEnergy depositの影響を評価 241Am Micromegas試作器 ( SpuMering ) mesh (レート調整用) window (カプトン 5 μm ) 6 mm カソード (mesh) Current [µA] Current [μA] 有感領域 4 mm ground mesh, strip PCB 241Am ( 5.5 MeV ) 検出器を動かし，4日間照射 Current Monitor ( Anode ) 5 4 線源設置 3 2 1 0 0 2 4 6 8 10 Time [h] 日本物理学会第70回年次大会 600 ] 2015/03/21 5 ヒットレート Hit map Ageing のレート計算 ATLASでの中性子による大きなSignalのレートと Entries ×103 照射したα線のSignalのレートを比較 照射領域 1cm2 60 40 20 ATLASでの最大中性子ヒットレート 0 0 500 Hz/cm2 ( HL-‐LHC ) 20 40 60 80 100 PosiVon [mm] ×60の加速試験 今回のα線照射 ( 4days ) 30 kHz/cm2 今回はHL-‐LHC 3.5年分 (今後さらに続ける) 4 days × 60 / (6×106 sec/year ) 〜 3.5 years LHCのoperaVon Vme 2015/03/21 日本物理学会第70回年次大会 6 表面状態 照射後にレーザー顕微鏡で表面を3D測定 3.5 μm 8 μm 非照射領域 照射領域 ResisPve Strip 絶縁層 (ポリイミド) ✓ResisVve strip にダメージは見られない →パフォーマンスには影響なし ✓絶縁層に傷 (深さ 1 – 2 μm ) → 絶縁層の厚さは50 μm あり，影響は小さい 2015/03/21 日本物理学会第70回年次大会 9 ゲイン測定 α線照射前後にゲインの変化を確認 ResisVve strip (アノード) に損傷があると，ゲインが変化する可能性 55Feを用いて測定 Gain 線源の位置はAmと同じ → 照射領域のゲイン 20000 Before 15000 After Entries Entries 10000 160 5.9 keV 140 5000 120 100 80 0 60 500 520 540 HV [V] 40 20 0 5000 2015/03/21 10000 15000 20000 25000 ADC count ADC Count ✓ α線照射前後でゲインに変化なし 日本物理学会第70回年次大会 7 Cosmic test ( α線照射後 ) α線を照射したチェンバー + 3台のチェンバー Y [mm] 位置分解能 Cosmic Hit Map 100 1000 80 800 60 600 → residual と 2次元のHit位置を求める 40 residual = x2 – ( x1 + x3 ) / 2 照射領域 ( 1cm2) 400 20 200 0 0 20 40 60 80 100 ScinVllator 600 400 200 0 x1 x2 Micromegas y 4層 x3 ScinVllator Position Resolution [µm] X [mm] 130 120 110 100 90 照射領域 非照射領域 80 Ageingの影響はみられない 2015/03/21 日本物理学会第70回年次大会 8 まとめと展望 まとめ 2018-‐19年にMicromegasをATLASにインストール予定 α線を使ったAgeing test (HL-‐LHC 3.5年分) の結果， − 表面状態は，ResisVve stripは変化なし，絶縁層に浅い傷 − パフォーマンス（ゲイン，位置分解能）は変化なし 展望 ●さらなるAgeing試験を行う (Screen print もテスト予定） ● 中性子以外のバックグラウンドの影響の評価 ● Run 2 ( 2015-‐ ) では，ATLAS内部に試作器を入れ，動作を確認する 2015/03/21 日本物理学会第70回年次大会 10 BACK UP 2015/03/21 日本物理学会第70回年次大会 11 Neutron Hit Rate Total hit rate = 10kHz/cm2 ( L = 5×1034 cm-‐2s-‐1，Run1 data から外挿) ヒットのうちtrack が引ける割合 30% ( Run1 data ) neutron / charged parVcle = 15% ( MC ) Neutron Hit Rate ( L = 5×1034 cm-‐2s-‐1) Data / MC 10kHz/cm2 × 0.3 × 0.15 〜 500Hz/cm2 2015/03/21 日本物理学会第70回年次大会 13 α照射時の反応 Energy deposit Probability alpha , gamma 2015/03/21 日本物理学会第70回年次大会 14 Neutron sensiPvity 2015/03/21 日本物理学会第70回年次大会 15 20 600 400 10 200 0 0 Position Resolution [µm] Residual 130 120 110 100 90 80 更新する 2015/03/21 日本物理学会第70回年次大会 16 レーザー顕微鏡 2015/03/21 日本物理学会第70回年次大会 17 中性子ビームテスト ガス検出器の弱点・・・放電 → 中性子による放電の影響を評価する 2014年7月，1月， 2013年6月 @神戸大学海事科学部 高速中性子を用いたビームテスト イオン源 テスト項目 中性子環境下における ✓Micromegasの放電耐性 目的 タンデム加速器 加速器，ビーム，ターゲット Micromegas 放電率，放電時間 ターゲット (9Be) ✓Cosmic Test Efficiency , 位置分解能 中性子のエネルギー : 〜5MeV (Max 7.4 MeV) 2015/03/21 9Be + d (3MeV) → 10B + n 日本物理学会第70回年次大会 18 中性子フラックス 155 cm Chamberでの中性子フラックス測定 7.5 cm 液シンdata ターゲット PSD 液シン 中性子ヒットレート@液シン Chamber Geant4 角度分布，液シンefficiency ターゲットからは中性子とγ線が放出 中性子フラックス @ Chamber Slow/Total Slow/Total Delay/Wide Slow 25000 4000 放電レート測定 : 100 – 1000 kHz /cm2 Cosmic Test : 30 – 60 kHz /cm2 104 3500 20000 3000 103 2500 15000 （cosmicと中性子のpile-‐upは無視できるrate） 2000 102 1500 10000 103 0.8 102 0.6 0.4 5000 ATLAS環境に匹敵するフラックスが得られた 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Total 2015/03/21 液シン PSD 10 500 0 1 Neutron Gamma 10 1000 0 1.2 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Delay/Wide 日本物理学会第70回年次大会 0.2 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 1 Total Total 19 放電率測定 セットアップ ターゲットから7.5cm の距離にChamberを設置 液体シンチレータ 取得したデータ Front end card (APV25) Current Monitor Anode HV のcurrent → CAMAC Micromegasの信号 →APV → SRS Micromegas 液シン → CAMAC HV ( Anode ,Cathode) 9Be ターゲット 変化させたパラメータは３つ 10分ずつ測定 2015/03/21 deuteron beam ・ビーム強度 ・Chamber ・Anode HV (460V 〜 550 V) 日本物理学会第70回年次大会 20 放電 Current Monitor 放電がどれぐらいおきたのか？ J4 Anode 530 V neutron 100kHz/cm2 増幅領域のCurrentをチェック ← Anode HVのCurrent Monitor Threshold Base Line 用いた放電の定義 1秒あたりにThresholdを超えた回数 Events / 0.02sec Threshold = Base Line + 0.6 μA Spark Duration 放電継続時間 3 6 5 放電時間：Thresholdを超えていた時間 4 3 放電時間は 〜100 msec 2 1 2 1 連続放電でも数秒程度 0 10-2 10-1 1 10 Time [s] 安定した動作が可能！ 2015/03/21 0 10-2 日本物理学会第70回年次大会 10-1 1 10 102 Time [s] 21 フラックス依存 1 Spark Rate [Hz] Spark Rate [Hz] 放電率 2 100 kHz/cm 100 kHz/cm2 22 1000 kHz/cm 1 MHz/cm 10-1 J4 10-2 Chamber依存 1 J3 J2 J4 10-1 10-2 10cm × 10cm 10-3 10-3 105 104 100 kHz/cm2 104 Gain Hit Efficiency 〜100 % Gain 放電率 < 0.1 Hz @ 1MHz/cm2 （Gain 3×104） 照射後も問題なく動作 2015/03/21 105 Chamberの内部状態の影響が大きい （ゴミ，メッシュ・ストリップの状態） 詳しい原因は調査中 日本物理学会第70回年次大会 22 中性子環境下でのCosmic test ◆中性子の存在下で Micromegasのパフォーマンスを調べる Micromegas (MM) 試作器 8台 表・裏交互に配置 シンチレータ Beam MM 中央に中性子源のターゲット シンチレータ3枚のコインシデンスでトリガー Target ビーム強度を変化させ ( 15時間 ずつ） MM ✓ DetecVon Efficiency ✓ PosiVon ResoluVon の変化をみる 2015/03/21 シンチレータ ×2 日本物理学会第70回年次大会 23 ビームの影響 ✓Current の変化 ✓ゲインの変化 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 Cosmicイベントのチャージ分布 beam ON Arbitrary Units Current [µA] Current Monitor 0.16 0.14 0.12 No beam 中性子フラックス 60 kHz / cm2 0.1 J5 0.08 0.06 J4 Anode 530V neutron 100kHz/cm2 5 10 15 20 25 30 Time [s] 中性子・γのイベントにより 増幅領域に流れる電流が増加 2015/03/21 0.04 0.02 0 0 5000 10000 15000 20000 Cluster Charge (ADC count) チャージアップによる Gain の変化はみられない 日本物理学会第70回年次大会 24 パフォーマンスの変化 DetecPon Efficiency PosiPon ResoluPon 1.02 1 0.98 0.96 0.94 0.92 0.9 0.88 0.86 0.84 0.82 0.8 Efficiency > 98% J4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Position Resolution [µm] Efficiency 分母 &&Track上で注目しているチェンバーにHit 注目しているChamber 以外でTrackあり 3つのchamberから，residualを計算 140 120 100 80 ResoluPon 〜 100μm 60 40 20 0 J4J5J6 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Neutron Flux [kHz/cm2] Neutron Flux [kHz/cm2] 有意な変化はみられない 2015/03/21 日本物理学会第70回年次大会 25 Photon Energy Spectrum @ATLAS 2.3<η <2.7 1.4<η <2.3 η <1.4 2015/03/21 ATLAS muon spectrometer TDR (1997) 日本物理学会第70回年次大会 26 Neutron Energy Spectrum @ATLAS 2.3<η <2.7 1.4<η <2.3 η <1.4 expected neutron flux ATLAS muon spectrometer TDR (1997) test beam region 2015/03/21 日本物理学会第70回年次大会 27
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