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J-PARC E16実験GEM Trackerの 内部構成最適化と性能評価 ~読み出し基板の改善~
高木敦子a, 青木和也b, 小沢恭一郎c,
菅野光樹a, 小松雄哉a, 関本美知子c, 中井恒a,
堀泰斗d, 桝本新一a, 四日市悟b, 渡辺陽介a
a東京大学, b理化学研究所, cKEK, dCNS
日本物理学会 2011/9/16
1
概要
• Gas Electron Multiplier (GEM) Tracker の開発目的と構造
• 現在の開発状況と問題点
(裏面のオーバーシュート、信号強度)
• 読み出し基板のテスト
• まとめと今後の課題
2
Gas Electron Multiplier (GEM) Tracker の開発目的
3層のGEM Trackerで磁場中の位置を出し運動量を決める
要求性能
~ 5MeV/c2 の質量分解能
~100μm の位置分解能
ハイレートへの耐性(5kHz/mm2)
尐ない物質量(1チャンバーにつき~0.1% )
3
GEM Trackerの構造
Detector gas : ArCO2 (Ar:CO2 = 7 : 3) Drift gap : 6mm Transfer gap, Induction gap : 2mm
読み出し基板
X Strip(表面) と Y Strip (裏面) の間は絶縁物 (Kapton 25μm)
GEM Tracker
GEMを3枚
重ねることで10000倍
のゲインを得る
4
50
GEM断面
X
Y
350 μm
350 μm
290 μm
70 μm
現在の開発状況と問題点 ビームテスト(電子光理学研究センター)の結果
SSD SSD GEM
陽電子Beam p~750MeV/c2
Scinti Scinti Silicon Strip Detector (SSD) と GEMのhit 位置との残差で位置分解能を決定する
5
裏面問題点 →chargeが尐ない(表裏の信号の割合、のオーバーシュートが原因?)
表 (x strip) Resolution : 77μm Efficiency : 98.8%
裏 (y strip) Resolution : 77μm Efficiency : 98.8%
裏 表 裏
表
6
Kapton 25μm 55Fe X線 (5.9keV)
裏面 (10倍に増幅)
表面
Vgem : 370V Gas : 200ml/min (ArCO2)
裏(10倍) 表
クラスター charge クラスター charge
0 4000 8000 0 4000 8000 charge_sum charge_sum
100mV
100mV
40ns
40ns
読み出し基板のテスト (実験室55Fe使用)
オーバーシュートの改善を期待
→表面に電導物を塗ることで Charge upを防止
Kapton 25μm+水
Kapton 25μm+ カーボン
裏表信号の割合の改善を期待
Kapton 12.5μm X
Y
スルーホールタイプ (制作中)
間のKaptonを除去したもの(300角、10/20テスト予定)
Kapton 25μm
• 表面抵抗値
(2cmの距離・テスター)
>500MΩ/cm
2cm
裏面 (10倍に増幅) 表面
裏面の問題点 ①オーバーシュート ②表面に対して裏面 の信号の絶対量が 尐ない
Vgem : 370V Gas : 200ml/min (ArCO2)
(350μm ピッチ)
100mV
40ns
100mV
40ns
Kapton25μm + 水 55Fe からのX線 (5.9keV) 信号
• 55Feのシグナル
9 Vgem : 370V Gas : 200ml/min (ArCO2)
水を塗ってから6時間以内
時間経過後 水分が蒸発
オーバーシュートが小さくなった
裏
表
数百MΩ?
30時間後
安定化が課題 100mV
40ns
100mV
40ns
100mV
40ns
• 液体のカーボンポリイミドを塗って200℃で3時間ベイク
• 厚み
→ 5μm
• 表面抵抗値
(2cmの距離・テスター)
①0.7~1MΩ/cm
②0.5~0.7MΩ/cm
③1~1.5MΩ/cm
Kapton25μm + 高抵抗カーボン
①
② ③
2cm
10
(350μm ピッチ)
Kapton25μm + 高抵抗カーボン 55Fe からの X線 (5.9keV) 信号
裏面 (10倍に増幅)
表面
11 Vgem : 390V Gas : ArCO2 100ml/min
裏(10倍) 表
オーバーシュート、表裏信号比、共に改善せず →抵抗値が低い?(数MΩ/cm)
クラスター charge クラスター charge
0 4000 8000 0 4000 8000 charge_sum charge_sum 100mV
40ns
100mV
40ns
Kapton 25μm
• 表面抵抗値
(2cmの距離・テスター)
>500MΩ/cm
2cm
裏面 (10倍に増幅) 表面
裏面の問題点 ②表面に対して裏面 の信号の絶対量が 尐ない
Vgem : 370V Gas : 200ml/min (ArCO2)
(350μm ピッチ)
100mV
40ns
100mV
40ns
• 表面抵抗値
(2cmの距離・テスター)
>500MΩ/cm
Kapton 12.5μmの 基板
13
2cm
裏面 (10倍に増幅) 表面
オーバーシュート、パルスハイト共に改善せず
Vgem : 390V Gas : 100ml/min (ArCO2)
(700μm ピッチ)
100mV
40ns
100mV
40ns
Kaptonを除去した基板 スルーホールタイプの基板
• Kaptonを除去した基板 ビームテスト結果 →100角はテスト済、 300角で10/20 テスト予定 • スルーホールタイプ
14
X
Y
X
Y
350 μm 125 μm 125 μm
1400 μm
200 μm
1300 μm
表面への導通
電極 (y strip)
まとめと今後の課題
• Kapton 25μm + カーボンの基板は抵抗値が足りない(数MΩ/cm)
→抵抗値を~102MΩ に調整してテストしてみる
• Kapton 12.5μm の基板は思ったような成果が得られなかった
• 並行してKaptonを除去した基板、スルーホール基板のテストを行う
15
Back up
16
J-PARC E16実験 高温高密度下でカイラル対称性が部分的に回復する
ことが予言されている
原子核中でのφ中間子質量の測定
φ->e++e-
17
12.5μmの読み出し基板 作ってすぐ
裏520mV
表660mV
ノイズ(逆位相)
放電?
Gap : drift 6mm, transfer 2mm, induction 2mm Strip Pitch : 700μm Vgem : 330V Gas : P10 200ml/min
裏/表 = 0.78 倍
18
水を塗った基板、55Fe からの X線信号 (Kapton 12.5μm)
• 55Feのシグナル
19
Vgem : 340mV Gas : 100ml/min (P10)
水を塗ってから8時間以内
時間経過後
オーバーシュートが小さくなった
裏200mV
表
表400mV
裏
数百MΩ?
(700μmピッチ)
100mV
40ns
100mV
40ns
100mV
40ns
20
裏面(10倍に増幅)
表面
Kapton 12.5μm 55Feからの X線信号
Vgem : 390V Gas : ArCO2 100ml/min
表 裏(10倍)
クラスター charge クラスター charge
0 4000 8000 0 4000 8000
100mV
40ns
40ns
100mV
スプレーのもの
• 表面抵抗値
(2cmの距離・テスター)
①4MΩ/cm
②5MΩ/cm
③25MΩ/cm
④5MΩ/cm
⑤1MΩ/cm
抵抗値がばらばら
→カーボンの厚みが一定でない
① ②
③
④ ⑤
2cm
21