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

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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

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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% )

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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

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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

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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

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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

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Back up

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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-

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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

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水を塗った基板、55Fe からの X線信号 (Kapton 12.5μm)

• ５５Feのシグナル

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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

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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

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