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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. Outline. ① GEM Tracker の開発目的 ② GEM chamber のセットアップ ③ビームテスト結果 ④まとめ. 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 ~ 100 μ m の分解能

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J-PARC E16 実験のための GEM Tracker 開発

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Presentation Transcript

  1. 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

  2. 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

  3. GEMTracker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 • ~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% ) GEM Tracker ビーム平面で見た図

  4. 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 -GEMgeometry ３ XPI D ③2次元ストリップ読み出し部 XCu double-side single-side 350μm 700μm 700μm D X - gas: P10 or Ar70% CO230% width：表70μm 裏290μm pitch:：350μm KEK宇野さんのアイデア

  5. 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。 • 最近新しく穴の小さいGEMをつくった XPI D XCu NEW etching φ70D50 レーザー 4枚/ 3枚 • ゲインが大幅に改善した OLDetching P10, 55Fe GEM一枚あたりの電圧

  6. ビームテスト解析手順 Hit position determined by Silicon Strip Detector(SSD) GEM SSD SSD Events Q3 残差 Q4 Q2 beam Q1 Q5 X1 X2 X3 X4 X5 differencemm Hit position determined by GEM chamber Center Of Gravity -Multiple scattering -Tracking Accuracy 位置分解能

  7. テストしたセットアップ 先週

  8. セットアップ① • 結果 11mm 500V/cm P10 穴の大きいGEM 3枚 (gain ~2000) 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

  9. セットアップ② • 結果 P10 3mm 1500V/cm 100μm+50μm (gain ~6000) single-side 700μm 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) • collection efficiency (Egem/Ed,Geometry) • GEM1枚あたりにかける電圧 ダメ OK → 50μmGEMのほうが有利

  10. 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 Drift gap 読み出し ガス • 1mm • 3mm • 6mm • 11mm • Double-side 700μm • Double-side 350μm • ArCO2 • P10 X X

  11. ドリフト電場と分解能 穴の小さいGEM 3枚 Tracking resolution : ~50μm dD=6mm 正面入射 残差(μm) • P10 700pitch preliminary 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 ドリフト電場(V/cm) dD=6mm 15度入射 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 残差(μm) preliminary • P10 700pitch • ArCO2 350pitch ドリフト電場(V/cm)

  12. ドリフトギャップと分解能 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 preliminary 30度 15度 0度 残差(μm) • 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

  13. ガスとストリップピッチ① • ガスの諸性質 MAGBOLTZ simulation ①　横方向の広がり P10 ②　ゲイン ArCO2: ~20000 P10 ~10000 760Torr σT(μm/cm^(1/2) ArCO2のほうが安定に高いゲインを出せる ArCO2 電場(V/cm) • 正面入射結果 • 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? preliminary

  14. 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 hit位置 Xi • 結果 mm preliminary • 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？

  15. 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！？ KEK大下さん、田中さんありがとうございました • 表裏の電荷の比 Ｘ線 • 9割近く表に落ちる • single-sideの場合は4割が表に落ちる 表/総電荷

  16. Double side 裏面の結果　正面入射 • 結果 preliminary • 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・・・

  17. 時間情報を用いた解析(一例) • ArCO2 double-side 700μm dD=11mmED=500V/cm入射角 15度 ①signalが来たタイミングを決める x preliminary x 1ch=4mV ドリフト方向の位置 x vd x Thalf x Thalf vd=1.3cm/μsec。Magboltzとconsistentな値。 1ch=10nsec Xtiming ②最小2乗フィット preliminary 時間情報によるResidual ADC情報によるResidual

  18. 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

  19. Backups

  20. 読み出し セットアップ①と② 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 ストリップ 先週のセットアップ チャージ積分型プリアンプ 3.2V/pC RPV-160 Flash ADC ストリップ

  21. 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 • 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 残差(mm) mm

  22. Magboltz Simulation P10 Ar 70% CO2 30% ドリフト速度 cm/μsec 拡散定数(μm/sqrt(cm))

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