GEM を使った TPC の開発

新井聡，池松克昌，宇野彰二，加藤幸弘，木島智広，　　　黒岩洋敏，小林誠，佐貫智行，杉山晃，高橋徹，土井昌宏，中村圭一，仁藤修，藤井恵介，松田武，宮崎敦宏，　　　　山口敦史，山口満弘、山村大樹、渡部隆史，マーカス、ロン , ジュン、ローズ

登壇者　坂元 宣友　　（佐賀大学）

佐賀大、 KEK 、筑波大、農工大、工学院、東大、近畿大、広島大、ミンダナオ、 DESY 、 MPIGLC-CDC group 　

Introduction

ILC の大型測定器では、飛跡検出器として TPC を検討している。　 TPC サイズ：　外径　～２ m

　　　　長さ　４ｍ超　　　　必要な位置分解能　１５０ μm （ｒ φ 方向）　

センサー部分は MPGD （ Micro Pattern Gas Detector ）を検討

MPGD の利点（ MWPC との比較）

　　　　 　チャージの広がりが少ない･　　　　 　･ E×B の効果が少ない

既存の方法である MWPC での究極の性能の試験はプロトタイプのチェンバー（ MPI ）でおこなわれた。（前のセッションで報告ずみ）

同じ条件でセンサー部分を MPGD へ交換し、比較試験をおこなう。

Beam test setup

使用したチェンバー

•　ＫＥＫの π ２ビームラインにて実験

•　チェンバーのすぐ後ろにトリガーカウンターを設置•　磁場がないときのみの測定•　ガスは P-10 を使用

（ MWPC/TPC テストのビーム下流にチェンバーをセットしてデータ収集）

ビームライン

チェンバー設置点ビ

－ム

GEM とは

10x10cm2 (cern GEM)

拡大概略図

円錐形の穴はケミカルエッチングによるもの。

両端の電極間に電位差を与えることにより、穴の中に高電場をつくり、ガス増幅を起こさせている。

チェンバー内セットアップ

23.5mm

1.0mm

天板

読み出しパッド

GEM２GEM３

GEM１

1.5mm

1.5mm

10MΩ

10MΩ

10 or 30 or 50 MΩ

GEM GND

GEM 間の距離

• GEM 間の電場は約 2kV/cm

• GEM1と読み出しパッド間の電場 は、約 3kV/cm

GEM の両電極間の電位差を VGEM

VGEM

ドリフト領域

HV

• GEM は 1枚ごとに独立に電圧を制御す ることが可能

読み出しパッド

全１６レイヤー中、６レイヤー

読み出し。　エレキの関係上

各レイヤー、中心の４パッドのみ読み出し　　　　　で囲った部分。

読み出しエレキ

BelleCDC の preAMP ： 300mV/pc

　 postAMP ： 10倍

10cm

10cm

この方向の列をレイヤーとする

beam

6mm

2mm

0.3mm

0.3m

m

MPI/TPC で使用しているパッドと同じ

トリプル GEM の動作確認

55Fe 　 5.9keV X線のシグナル

10000

1000

100

280 300 340320 360

Gain vs. HV

AMP のサチュレー

ションのため

VGEM (V)

立ち上がり時間：～２０ nsec

X線（ 55Fe 　 5.9keV ）を使用して動作確認

100nsec

ヒットポジションの決め方

•　各レイヤーのヒット点の決め方

下記の式で得られる、パッドの ADC の重心（ C.O.G. ）により求める。

C.O.G.＝ΣADC i ･ Y i

ΣADC i

ADC i : 各パッドの ADCY i : 各パッドの中心位置（ ）

（例）１つのレイヤーで、下図のようにパッドの ADC が測定されたとき、

上記の式から、

AD

C

1

3

2

1 　　　　　 2 3 4

このような感じで、各レイヤーのヒット点を決めた。

C.O.G.＝ １ × ０＋２ × １＋３ ×３＋４ × １

０＋１＋３＋１

＝　３　　となる。C.O.G.

パッド

tracking

左図は、１つのレイヤーの C.O.G. 分布。

滑らかなビームの広がり　　　　　　　　　　　　　　　＋　　　　　　　　　　　　　　　 パッドの中心に鋭いピーク

式はY (x) = ax+b (x軸はビーム軸と同じ )

とする。

６レイヤー中５レイヤーの C.O.G. をヒット点として、最小二乗法で直線フィットした。

（分解能の評価の対象となるレイヤーを除く）

• tracking

even

t数

(mm)pad C.O.G.

ヒット位置分布

residual（垂直入射）＃ 1

position -> C.O.G.（ trackingに使用しなかったレイヤーのもの）

residual -> C.O.G.－ Ytrack

• ビームの軸に平行になるようチェンバーをセット

σ=190μ ｍ

residual

resi

du

al

Ytrack

パッドの中心座標

パッドの中心に track が偏っているように見える

even

t数

residual（垂直入射）＃ 2Ｙ track を 1次元分布でみると、やはりパッドの中心に track が集中している。

垂直入射の際、全レイヤーでシングルヒットになる track が多い。

beam

ヒットがあったら⇒こっちもヒット

パッドの中心付近を通る track は、各レイヤーでシングルヒットになり、 track をパッドの中心に寄せてしまう。

Ytrack

垂直入射では系統的な振る舞いにより正確な tracking はできない！！

residual（斜め入射）• ビームの軸に少し傾けてチェンバーをセット（　～２ ° ）

Ytrack

Ｙ track の 1次元分布

垂直入射の時のような偏った track はない。

σ=240μ ｍ

residual

resi

du

al

Ytrack

Tracking error を考慮すると位置分解能は 210μm

パッドの中心座標

response fun.

AD

C

1

3

2

1 　　　　　 2 3 4

ビームtrackＸ track

0

左図より、パッドの中心付近の trackでは、パッド 1 つに電子の広がりが収まっていることがわかる。

Ｘ pad 　

Ｘ track

: 各パッドの中心

: tracking で求めた関数からの値

チャ

ージ

の割合

Ｘ pad－Ｘ track

response fun.

パッド

Ｘ pad－Ｘ track

電子のひろがり

0 1 　 2 　 3 　 4

2000

１000

(ヒットのあったパッドの枚数 )

(eve

nt数

)

１ヒットの割合：約 20％

広がりは約 960μ ｍと想定できる。

これより

（パッドの大きさ： 2mm ）0

σ（

μｍ

）

0

200

400

600

800

1000

0 0.2 0.4 0.6Threshold / peak pulse height

約 450μm

電子の広がり分布

threshold ：ヒットを定義　　　　　　　するもの 960μm

中心がもっとも pulse height が高くなる

TPC への適用 #1

MWPC ⇒ トリプル GEM に取り替える

最大ドリフト長 27cm

MPI/TPC

TPC への適用 #2

σ＝√ σ ２＋ CD Ｚ･０

２

ガス（ Ar ： CH4 ： CO2⇔９３：５：２）

CD 　～ 500μ ｍ / cm (B=0T)

～ 200μ ｍ / cm (B=1T)beam/cr test

～ 100μ ｍ / cm (B=3T)ILC

√

√

√

TPC での電子の広がり

（ σ ０： GEM によるひろがり）

電子の分布は複数パッドにまたがってほしい（位置分解能）

基準　：　 FWHM＝パッド幅（既存２ｍｍ）

σ ～８５０ μm

　１ｍｍ幅パッドの場合では

B=1T では２ｍｍ幅パッドは厳しい !?

0

1000

2000

3000

0 10 20 30

B=0T

B=１ T

B=３ T

ドリフト長（ cm ）

σ（

μm

）

まとめ•　今回の測定では tracking の評価は１つのパッドに電荷のひろがり　　 が収まるようなポジションがあり、難しい。

•　磁場中での TPC への install は今のままでのパッドのサイズでは　 満足のいく評価ができない可能性がある。

パッドのサイズを１ｍｍへ

今回は cern製の GEM を使用しての試験だったが、 CNS（東京大学） ＆ 渕上ミクロ株式会社が製作された GEM についても発展させて試験を行ってく予定である。

パッドの配列をレンガ状にして系統的な振る舞いの抑制　←