PHENIX 実験と東大 CNS におけるGEM と GEM を用いた検出器の開発

東京大学原子核科学研究センター ( 東大CNS)

浜垣研 D2 織田勧2006 年 12 月 21 日 ( 木 )

学術創成「リニアコライダー実験での革新的測定器システムの開発研究」

第 1 回研究会

1/31

わたしたちは• 2000 年からアメリカ・ブルックヘブン国立研究所の

RHIC 加速器の PHENIX 実験で核子当り 100GeV のエネルギーで原子核 (p, d, 63Cu, 197Au) を衝突させて、高温で高密度の極限状態を作り出し、クォークが閉じ込めから開放されたクォーク・グルオン・プラズマ (QGP) 相を生成し、その性質を探っています。

PHENIX 実験RHIC 加速器

2/31

カイラル対称性の回復を捉えたい

• QGP 生成の数多くの兆候が得られている。

• しかし QGP の性質は予期していたものと違ったので、様々な観点から研究を深める必要がある。

• QGP 相への相転移と同時にカイラル対称性が回復して、ハドロンの質量が変化すると予想されている。

• 電子は強い相互作用をしないので、ベクトル中間子の e+e- への崩壊モードで測定することで、質量変化をとらえることができる。

(m = 770MeV, ~ 1.3fm/c) e+e-

(m = 782MeV, ~ 20fm/c) e+e-

(m =1020MeV, ~ 40fm/c) e+e-

3/31

• 0e+e-(Dalitz 崩壊 ) 、 e+e-(gamma conversion) が多大なバックグラウンドになる。

• e+e- の opening angle で区別する。– ベクトル中間子 : 角度大– Dalitz, conversion : 角度小

• 電子の識別とトラッキングを行ないたい。• バックグラウンドを 200 分の 1 にすることが目標。

現状

期待

4/31

TPC と HBD (2001 年時点 )Hadron Blind Detector

Drift regions

HV plane (~ -30kV)Grid

Readout Plane(GEM,mMega or PC)

Readout Padsr ~ 1 cm

~ 2 mm

CsI layer

Readout plane

2 つの検出器が一体化している

http://www.phenix.bnl.gov/WWW/TPCHBD/5/31

HBD の動作原理

HV

CsI 光電面

光電子のみを捉える。 量子効率

光電子の検出効率

dE/dx の電子の波高

GEM1

GEM2

GEM3

窓なし

6/31

ガス N0 E cutoff

(eV)

Γth 屈折率 光電子数(50cm)

Ar 255 9 42 1.000283 6

CH4 185 8.5 34 1.000444 7

C2H6 170 7.8 22 1.001038 8

CF4 940 11.5 28 1.000620 51

ガス 電場 ドリフト速度

拡散 ( 横方向 )

(1cm)

拡散 ( 縦方向 )

(1cm)

Ar(90%)-CH4(10%) 130 V/cm 5.48 cm/s 570 m 378 m

Ar(70%)-C2H6(30%) 390 V/cm 5.01 cm/s 306 m 195 m

CF4 570 V/cm 8.90 cm/s 104 m 82 m

CF4 ガスは HBD にも TPC にも良いガス。HBD に対する利点 - 光電子数がとても多い。

TPC に対する利点 ( または欠点 ) - ドリフト速度が速い。 - 拡散が小さい。

でも十分な増幅率を得るには高電圧が必要。

7/31

• 問題点 : TPC と HBD を共存させるなら、TPC 用の電場をどうやって作るか？

• 2005 年くらいの結論 : HBD を先に作り、TPC は様子をみて、後で作る。磁場なし。

~ 1 m

signal electron

Cherenkov blobs

partner positronneeded for rejection

e+

e-

pair

opening angle

B~0

8/31

今秋、 HBD できました。

• GEM – 23cmx27cm (CERN 製 )– ストリップにして一部が死んでも困ら

ないようにしている。• 今年 10 月に設置。• 来年 1 月から本実験を開始する予

定。

9/31

electronshadrons

GEMs produced at CERNTested for 500V in air @ CERNFramed & tested @ WIS for gain uniformityTested at SUNYSB prior to installationGain uniformity between 5% and 20%

GEM statistics133 produced (85 standard, 48 Au plated)65 standard, 37 Au plated passed all tests48 standard, 24 Au plated installed GEMs combined into stacks are matched to minimize gain variation over the entire detector

All GEMs pumped for many days under 10-6 Torr prior to installation into detector

20%

5%

The GEM stacks

Quark Matter 2006, A. Milovhttp://www.sinap.ac.cn/qm2006/ppt/Parallel/Parallel%201.4/2%20milov_hbd_session1_4_talk2.ppt

10/31

10cm

10cm

東大 CNS における GEM-TPC の開発

• 2001 年から 2004 年にかけて開発しました。• 結果をまとめた論文が今年出版されました。

– T.Isobe et al., Nucl. Instr. and Meth. A 564 (2006) 190.

– S.X. Oda et al., Nucl. Instr. and Meth. A 566 (2006) 312. End cap

Field cage36x17x17cm3

115 strips

Gas vessel60x29x29cm3

Preamp

11/31

CF4 ガスとワイヤー TPC

• 位置分解能– パッド方向 100m– ドリフト方向 500m

Readout

12/31

GEM-TPC の性能評価のためのビームテスト

• 2004 年 5 月に GEM-TPC の性能評価のためのビームテストを KEK PS 2 ビームラインで行なった

• ガスは 3 種類– Ar(90%)-CH4(10%)(P10), Ar(70%)-C2H6(30%), CF4

• GEM-TPC の評価項目– 検出効率 (1GeV/c )– 位置分解能 (1GeV/c )– ビームレートの影響 (2GeV/c e,,p)– エネルギー損失の測定 (0.5-3GeV/c 、 e,,,p,d)

• 磁場は無し

セットアップ

13/31

GEM-TPC の信号

時間 (6.4s=640bin, 1bin=10ns)

ADC

Ar-C2H6, ドリフト長 85mm,

長方形パッド (1つ 1.09mm x 12mm)1GeV/c 電子ビームのとき

飛跡

14/31

測定結果 1: 検出効率1. 1 番目と 3 番目のパッドの列にヒットがあるイ

ベントを取って来る。2. 2 番目のパッドにヒットがある割合を検出効率

として用いた。結果 : 十分大きな増幅率では 99% 以上の検出効 率が得られた。

1st

2nd

3rd

Ar-CH4

99.3%

Ar-C2H6

99.6%CF4

99.8%

15/31

測定結果 2: 位置分解能

1. パッド 3 列ごとに、電荷を重みにした加重平均により X 方向 ( パッド面内 ) と Z 方向( ドリフト方向 ) の位置を求めた

2. 前後の 2 列から求めた位置と真ん中の列での位置との残差から、 X 方向と Z 方向の位置分解能を求めた

結果• 最も良かったのは、 Ar-C2H6 で、長方形パ

ッドで、ドリフト長 13mm のとき、分解能は 80m(X 方向 ) 、 310m(Z 方向 ) だった。

• ジグザグ形パッドでも位置分解能は良くならなかった

201 2

1XXX

電場 ドリフト速度

拡散 (横方向 )

@1cm

拡散 (縦方向 )

@1cm

Ar(90%)-CH4(10%) 130 V/cm 5.48 cm/s 570 m 378 m

Ar(70%)-C2H6(30%) 390 V/cm 5.01 cm/s 306 m 195 m

CF4 570 V/cm 8.90 cm/s 104 m 82 m

パッド方向 X

ドリフト方向 Z

16/31

測定結果 3:ビームレートの影

響目的 イオンフィードバックが抑えられるかどうかを検出効率、位置分解能を見ることで調べる

• ビームスリットの幅を変えることでビームレートを変化させた

• ビームレートは 2.5cm角のプラスチックシンチで数えた

• ガスは Ar-CH4, ドリフト長は 85mm

結果 レートを大きくしても (<5000cps/cm2) 、高い検出効率が得られた。位置分解能は 10%程度悪化した

• RHIC (Au-Au, √sNN=200GeV) <dNch/d>|=0=170, Luminosity=1.4x1027/cm2/s, inel=7barn 　⇒ 300cps/cm2 : 衝突点から 30cm

• LHC (Pb-Pb, √sNN=5.5 TeV) <dNch/d>|=0~1000, Luminosity~1x1027/cm2/s, inel~8barn　⇒ 1400cps/cm2 : 衝突点から 30cm

17/31

測定結果 4: dE/dx の測定による粒子識別

• 0.5 ~ 3.0GeV/c の運動量の領域でエネルギー損失を測定した

• 増幅率が変動したので、パイオンが計算上の値になるように補正した ( 最大 30%)

• ガスは Ar-CH4, ドリフト長は 85mm

• 大型の TPC の場合のエネルギー分解能を、 1GeV/c での測定した分布をもとに評価した

– 飛跡が 50cm のときに、エネルギー分解能は パイオン で 9.1% 、陽子で 8.0% になると推測される

– これは BNL の RHIC の STAR の TPC の性能 (飛跡長 67cm 以上で 8%) より良い

1.0GeV/c の + の

エネルギー損失

1.0GeV/c の + と p の 50cmの飛跡で予想される

エネルギー損失p に対して 99% の検出効率で、の rejection factor 180

p

18/31

GEM-TPC のまとめ (2005 年初め )• 高レート・高粒子密度下で使える飛跡検出器を目指し、 GEM-TPC

のプロトタイプを製作した• GEM-TPC の性能評価のためにビームテストを行なった

– 検出効率 : 3種のガスとも 99% 以上– 位置分解能 : 80m ( パッド方向 ), 310m ( ドリフト方向 ) (Ar-C2H6 、

ドリフト長 13mm)– ビームレート : 5000cps/cm2 でも検出効率、位置分解能の悪化は小さか

った (Ar-CH4)– エネルギー損失 : 50cm の飛跡で 8-9% の分解能が期待できる (Ar-CH4)

• 実機の導入に向けての課題– GEM : 放電対策、大型化– 磁場中でのテスト– シミュレーション– 読み出しチャンネル数を多くしたい

• 高速、低ノイズ、小型、安価なエレクトロニクス

GEM-TPC は PHENIX 実験で使えそう。

19/31

日本での GEM 開発 2002 年から理研・渕上ミクロ・サイエナジー

• M. Inuzuka et al., Nucl. IM A 525 (2004) 529.• ドライエッチング

– レーザーエッチング + プラズマエッチング– 円筒形の穴

CERN-GEM

chemical

bi-conical shape

CNS-GEM

plasma

cylindrical shape

エッチング方法

穴の断面図

plasma+laser

20/31

増幅率の時間安定性

• 穴のでっぱりが増幅率に関係していそう。• GEM の表面にごみが付着していると増幅

率がより変動するようだ。

21/31

これからもより良い GEM を開発したい

• 物質量を減らす。– ポリマーの厚みを大きくして、使う枚数を減らす。

• 100m, 150m(GEM3枚で得られる増幅率を 1枚で実現する。 )

– アルミ GEM• 技術的に難しいことがわかった。

– 銅の層を薄くする 5-8m200nm

• 放電確率を減らす。– 長年の課題– 以前よりは格段に安定になってきた。– でも CF4 では十分安定とは言えない。

22/31

厚い GEM の増幅率● 150m-GEM

● 100m-GEM (Gain3/2)

[ 理研玉川さん達の測定結果 ]

● Standard-GEM (3層構造 )

23

1068838762

150m-GEM,100m-GEM は同じ VGEM/50m で Standard-GEM(3層 ) よりもはるかに高い Gain を達成。 300V/50m における Standard-GEM との Gain比

Standard-GEM:150m-GEM

= 1 : 1646

Standard-GEM:100m-GEM

= 1 : 454

150m-GEM270V/50mm (Gain=約 4000)で放電。

23/31

イオンフィードバック24/31

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

290 300 310 320 330 340 350 360

VGEM(V)

ion

feed

back

F

F(Triple)F(Double)F(Single)

Ed =0.33(kV/cm)

パッド電流HV1<HV2

50mm

chamber

ドリフト領域

Pad(anode)GEM1

GEM2

GEM3

Mesh(cathode)

Shield

3mm

2mm

2mm

2mm

3mm

R

X線(約17keV）

典型的な値： HV1=-2200V,HV2=-2100V,VGEM =350V

メッシュ電流

HV1

HV2

A

AIa

Ic

Ed

ArCH4　

•　 VGEM を上げると F が下がる•　 GEM3枚のときは 2枚や 1枚と比べて F が大きい•　 Triple の曲線は高いVGEM で Double, Singleの曲線へと近づく

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35

Ed(kV/ cm)

ion

feed

back

F

F(Triple)F(Double)F(Single)

VGEM =320(V)

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

300 310 320 330 340 350 360VGEM(V)

ion

feed

back

FEd =0.33kV/cm

Ed =0.5 kV/cm

Ei = 1.55 － 1.75 [kV/cm]

25/31HV1HV2

Ed

Eｔ

Ei

RR’

R’/ R= 0.5　 1　 2

•　 Ed が大きくなると F が大きくなる•　 Ed を十分小さくすることで、イオンフィードバックを 5% 以下に抑えることに成功•　低い Ed でも、要求される分解能や検出効率を達成できるか検討中

•　 Et / Ei が大きいほど F が小さくなる•　イオンフィードバック F は Ed 依存性に比べて Et 依存性が小さい　

● 　 Et /Ei = 0.5▲ 　 Et /Ei = 1■ 　 Et /Ei = 2

シミュレーション• 電場　Maxwell 3D

• ガス　 Garfield

電場計算結果 穴中の電位分布

CERN-GEM CNS-GEM

電子の進行方向

VGEM = 350 V

350 V

26/31

Gain の絶対値・ fit function の slope はともに一致しないが、GainCNS と GainCERN の比はほぼ一致している。

実験結果と Simulation 結果の比較■ CNS-GEM (Monte-Carlo)

■ CERN-GEM (Monte-Carlo)

● CNS-GEM (Experiment)

● CERN-GEM (Experiment)

▲ CNS-GEM (Runge-Kutta)

▲ CERN-GEM (Runge-Kutta)

GainCNS/GainCERN

Experiment

Monte-Carlo

Runge-Kutta

1.06

1.08

1.07

0.024

0.017

0.034

3

1

TripleGain

)VAexp(BGain GEM

B [1/V]

27/31

東大 CNS でも HBD を開発しています。

• Ar/CH4(90/10) 中での

CsI GEM の量子効率

28/31

波長 ( nm )

• 180nm で 10%程度の量子効率がある。• 180nm 以下で量子効率が下がっている。

Half mirror( MgF2 )

重水素ランプ115 nm ~ 400 nm

GEM光検出器

PMT回折格子

真空紫外分光器 50 ～ 300 nm 分解能 0.5nm

MgF2 window( Cutoff 115nm )

• 広島大学放射光科学研究センターの REFER(150MeV 電子 ) で現在テスト中。– GEM( サイエナジー )– CsI 蒸着 ( 浜松ホトニクス )– プリアンプ (CNS, KEK)

– Ar/CH4(9/1), Ar/CF4(5/5), CF4

– GEM は動作しているが、加速器のノイズが大きくて大変。

• J-PARC での実験での使用を目標に開発中。– http://j-parc.jp/NuclPart/pac_0606/pdf/p16-Yokkaichi_2.pdf

– 10cmx10cm GEM 2,700 枚を使う。

29/31

GEM の応用のために中性子検出器用2次元読み出し回路も開発中です。

• n+10B7Li+• n+Gde-+• 自動車のエンジン内部の液体の

動作を捕らえる。• ピクセルに届いた電荷を順番に

スイッチングして、少数の ADCで毎秒 1000 フレームで読み出す。

• 目標位置分解能数十 m

• X 線イメージングにも使える。

30/31

まとめ• QGP 相転移にともなうカイラル対称性の回復に

よるベクトル中間子の質量変化を調べるためにPHENIX 実験に GEM を用いた検出器がインストールされた。来月からデータ収集開始予定。

• GEM-TPC は高エネルギー重イオン衝突実験で使うことができるだろう。

• 日本で開発している GEM は安定に動作するようになって来た。

• よりよい GEM の開発。• GEM を用いた検出器の開発も進めている。

31/31

浜垣研 現 +元メンバー + 関連のある人たち

浜垣秀樹、小沢恭一郎、犬塚将英、坂口貴男、木野幸一、松元貴志、亀谷聡一朗、洞口拓磨、梶原福太郎、郡司卓、磯部忠昭、栗原成美、織田勧、森野雄平、斎藤翔太、荒巻陽紀、山口頼人、佐野哲、菅原章太、玉川徹、四日市悟、真木祥千子

Weizmann Institute of Science (Israel)A.Dubey, Z.Fraenkel, A. Kozlov, M.Naglis, I.Ravinovich, D.Sharma, L.Shekhtman (on leave from BINP), I.Tserruya (project leader)

Stony Brook University (USA)W.Anderson, A.Drees, M.Durham, T.Hemmick, R.Hutter, B.Jacak, J.Kamin

Brookhaven National Lab (USA)B.Azmoun, A.Milov, R.Pisani, T.Sakaguchi, A.Sickles, S.Stoll, C.Woody (Physics)J.Harder, P.O’Connor, V.Radeka, B.Yu (Instrumentation Division)

Columbia University, Nevis Labs (USA)C-Y. Chi

University of Tokyo (Japan)T. Gunji, H.Hamagaki, M.Inuzuka, T.Isobe, Y.Morino, S.X.Oda, K.Ozawa, S.Saito

RIKEN (Japan)S. Yokkaichi

Waseda University (Japan)Y. Yamaguchi

KEK (Japan)S. Sawada

People in PHENIX-HBD projectPeople in PHENIX-HBD project