大面積 高時間分解能 Resistive Plate Chamber の開発 京都大学原子核ハドロン研究室 D1 冨田夏希 日本物理学会 2012 年秋季大会 2012 年 9 月 13 日
大面積 高時間分解能 Resistive Plate Chamber の開発 もくじ Resistive Plate Chamber について LEPS2 の紹介と LEPS2 での要求性能 Resistive Plate Chamber の製作 LEPS でのビームテスト テスト結果 まとめ 修論後の進展
Resistive Plate Chamber (RPC) 約 10 kv 読み出しケーブル読み出しパッド絶縁体電極高抵抗板 ( ガラス ) 200~300 μm スペーサー 高抵抗板を複数枚並べたガスチェンバー 高抵抗板の間 ( ギャップ ) で電子を増幅 最外層の読み出しパッドに信号を誘起 低いコスト 高い時間分解能 磁場中で使用化
Resistive Plate Chamber (RPC) 約 10 kv 読み出しケーブル読み出しパッド絶縁体電極高抵抗板 ( ガラス ) 200~300 μm スペーサー 高抵抗板 放電を避ける 狭いギャップ ドリフト時間のばらつき小 高時間分解能 複数のギャップ 十分な検出効率 高時間分解能
ストリーマーモード ミューオントリガー宇宙線 Belle, Babar, OPERA, オペレーションモード e - > 10 8 紫外線 e - < 10 7 Arガス フロンガス ( 高電気陰性度 ) ギャップ幅 ~2 mm ギャップ幅 200-300 μm シングルギャップ マルチギャップ 信号大 ( 数 10 mv) 信号小 ( 数 mv) ( アンプ不要 ) ( アンプ必要 ) 時間分解能 ~1 ns 時間分解能 ~50 ps レート耐性 ~Hz/cm 2 レート耐性 ~khz/cm 2 TOF アバランシェモード Multigap RPC, Timing RPC ALICE, STAR, FOPI, 日本国内で使用例なし
LEPS2 Laser Electron Photon experiment at SPring-8 SP8 蓄積リング 8 GeV e - 3.5 ~ 4.7 ev Laser 逆コンプトン γ 線 1.5 ~ 3.0 GeV γ-ray ハドロン光生成 LEPS LEPS2 LEPS 前方領域 Ver: ±25 Hori : ±10 γ 2000 年 ~ target LEPS2 ほぼ全立体角 LEPS の 10 倍の光子強度 現在建設中 新しいビームライン γ
ソレノイド電磁石 1 T γ 1.5 m LEPS2 での RPC の要求性能 1 m 1.7 m Target ソレノイド電磁石 アメリカブルックヘブン研究所 E787/E949 実験 RPC-TOF 磁場中でオペレート 1 m の短い飛行距離 1.1 GeV/c の K/π 3σ で識別 σ TOF ~ 50 ps ( 回路込 ) トリガーに使用 検出効率 > 99% レート耐性 ~ 1Hz/cm 2 5 m 2 の大面積チャンネル数 1000ch 以下 ( 少ないほど良い ) 1chあたり50cm 2 以上
Resistive Plate Chamber の開発状況 TOF RPC ALICE-TOF (9 cm 2 /ch, 250 μm*10 gaps) : 50ps, 99% STAR-TOF (20 cm 2 /ch, 220 μm*6 gaps) : 60ps, 97% FOPI-TOF (9 cm 2 /ch, 220 μm*8 gaps) : 60ps, 99% 大面積パッド パッド小回路の分解能込み RPC 単体 15~20 ps パッド中の信号の伝搬まだ理解が進んでいない R&D STAR-MTD, CBM-TOF, R3B-TOF (50-165 cm 2 /ch) A.Blanco et al. (400 cm 2 /ch, 300 μm*4 gaps) : 50-75ps, 95% M.Abbrescia et al. (225 cm 2 /ch, 300 μm*5 gaps) : 65-85ps, 95% 高時間分解能 S.An et al. (9 cm 2 /ch, 160 μm*24 gaps) : 20ps, 99% RPC 単体 8 ps 大面積読み出しパッド ( > 50 cm 2 /ch ) 高時間分解能 (50 ps) 高検出効率 ( >99%) 読み出し回路も重要 RPC へ挑戦
Resistive Plate Chamber の製作 材料 ケーブル銅テープ ( 読み出しパッド ) 印刷基板も可絶縁体カーボンテープ ( 電極 ) (1-10MΩ/sq) ガラス ( 高抵抗板 ) (10 12-13 Ω cm) 厚み400 μm 凹凸 <±0.2 μm 釣り糸 ( スペーサー ) 手作り 104 μm, 148 μm, 260 μm < ±10 μm ガラス 10 cm*50 cm ねじ スペーサー ( 釣り糸 ) ガラス 実機の半分 2 cm 50 cm 10 cm
Resistive Plate Chamber の製作 Side View Top View 260 μm 5 gaps - 6.5 kv + 6.5 kv 読み出しケーブル - 6.5 kv + 6.5 kv 148 μm マルチスタック型 - 6.5 kv 24 gaps
製作失敗談 ガラス曲がる 釣り糸の選定 ガラス割れる 焦げる 2 mm 0.5 mm
LEPS SP8 蓄積リング RF signal LEPS LEPS2 電子 陽電子対生成 γ 回路の分解能 Converter (Pb) ビームテスト ダイポール電磁石 B TOF = RPC - RF σ RF ~ 14 ps Very good! σ 回路 ~ 30-35 ps? σ TDC ~ 18 ps σ Amp+Discri ~? ps RPC 以外の寄与も含めて 50 ps e - e + RPC 1 cm * 2 cm 4 Finger Scintillators 5~20 Hz/cm 2 PMT amp (Kaizu-2104) Discri. (Phillips-711) TDC ADC (GNC-040) (RPC-022) (CAMAC)
Gas 電子の増幅を抑える フロン (R134a) : 90% SF6 : 5% イソブタン : 5% ビームテスト Signal アンプ使用 ( ゲイン 4 倍 ) Amp KN2104 PMT amplifier Kaizu works Input 50 Ω 500 MHz / Gain 5 10 ns 20 mv 立ち上がり ~ 2 ns
補正前 TDC(ch) タイムウォーク補正 補正後 ADC(ch) ADC(ch) counts ガウス関数で Fit 標準偏差 σ = 時間分解能 TDC(ch) TDC(ch)
目標 小さい読み出しパッド トリガー位置 測定項目 大面積読み出しパッド ( > 50 cm 2 /ch) 高時間分解能 (50 ps) 高検出効率 (>99%) 一般的な TOF RPC (220-300μm) より狭めに挑戦 印可電圧 ギャップ幅 104μm, 148μm, 260μm 狭い ドリフト時間のばらつきが少ない 高時間分解能 14 12,24 1,2,5,10 ギャップ数多い 信号大 (S/N 大 ) 高時間分解能 パッドサイズ 形状読み出しパッド内での信号の伝搬? 読み出しラインまでの距離に依存しないか?
小さい読み出しパッド 8 cm 2 (~7000 ch) アノード アバランシェ 10 ns 100 mv カソード 5.5 cm 148 μm*12 gaps 1.5 cm 印可電圧依存性 ストリーマー 4 倍アンプ使用 電圧大 ストリーマー発生正しいタイムウォーク補正ができなくなる Fraction (%) Resolution (ps) 時間分解能 タイムウォーク補正前 補正後 検出効率 ストリーマーの割合 HV (kv) 検出効率 / ストリーマー 11-12 kv 50 ps / >99 % 50 ps 99 % 小さいパッドではあるが 目標の時間分解能検出効率達成
ギャップ幅狭 ドリフト時間のばらつきが減る 高時間分解能 小さい読み出しパッド 8 cm 2 (~7000 ch) 5.5 cm 104 μm*14 gaps 148 μm*12 gaps 260 μm*10 gaps 1.5 cm ギャップ数印可電圧が同程度になるように決定 ギャップ幅依存性 Efficiency (%) Resolution (ps) 50 ps 99 % 時間分解能 260 μm 148 μm 104 μm 検出効率 Electric field (kv/mm) 148 μm / 260 μm 大きな違いなし 104 μm 狭すぎる ギャップ幅 200 μm 程度から読み出し回路の影響の方が大きくなるあまり狭くしても効果少ない 狭すぎると検出効率 時間分解能ともに劣化
Resolution (ps) 260 μm 時間分解能 5 gaps ギャップ数依存性 148 μm 時間分解能 Resolution (ps) 12 gaps ギャップ数増 信号の起きるギャップ数が増える S/N 大高時間分解能 10 gaps 40 ps 24 gaps 8 cm 2 1.5 cm Efficiency (%) 10 gaps 5 gaps Efficiency (%) 24 gaps 12 gaps 5.5 cm 148 μm / 24 gaps 時間分解能約 40 ps 達成 検出効率 HV (kv) HV (kv) 検出効率 ギャップ数を増やす効果は大きい
とりあえず大面積化 148 μm 12 gaps パッドサイズ依存性 7000 ch 3000 ch 1500 ch 800 ch 5.5 cm 7.4 cm トリガー位置パッド中心 7.4 cm 7.4 cm 時間分解能検出効率 1.5 cm 2.5 cm 5 cm 10 cm 50 ps 65 ps 85 ps 150 ps 99 % 99 % 97 % 90 % 面積の増加とともに 時間分解能 検出効率ともに悪化読み出しラインまでの経路差により時間分解能悪化
読み出しラインまでの距離は? 7.4 cm トリガー位置依存性 2.5 cm アンプへ 読み出しラインから遠い方が分解能が良い 72 ± 2 ps 63 ± 1 ps 50 ± 1 ps 信号が他端での反射との重ね合わせになり分解能が悪化 TDC(ch) 300 ps ADC(ch) 読み出しラインまでの距離の補正が必要 読みの大面積パッドで高時間分解能を出すのは難しい
ストリップ型読み出しパッド 両読みのストリップ型はどうか ( 面積当たりの ch 数は増える ) 50 ps / 99 % 40 cm 20 cm Gap Pad Channel Resolution Efficiency 148 μm 12 gaps 260 μm 10 gaps S L2 L3 L1 L1 2000 93 % L2 1700 96 % L3 1000 90 % L1 2000 99 % L2 1700 98 % L3 1000 99 % 2.5 cm 1.5 cm 2.5 cm 10 ns 時間分解能どれもほぼ同じ 検出効率 148 μm 充分でない LEPS2 の要求 (1000 ch, 50 ps / 99 %) に近い値達成 反射が顕著に トリガー : パッド中心
トリガー位置依存性 読み出しラインまでの距離は? 260 μm*10 gaps 片方ずつの読み出しは大きな位置依存性 左右非対称より細かい位置に依存 両読みの平均の分解能は大きな位置依存性なし Left - 20 cm Time resolution (ps) Position dependence Mean Right (+) Left (-) Position (cm) Right 0 + 20 cm 260 μm * 10 gaps ストリップ型読み出しパッドを採用
まとめ ( 修論まで ) LEPS2 実験で使用する大面積 高時間分解能の Resistive Plate Chamber を開発 ギャップ幅 148 μm と 260 μm で分解能違いなし 148 μm は両読みでは検出効率足りない ギャップ数 増加で高い時間分解能 148μm * 24 gaps 40 ps 大面積パッド ストリップ型が適している 2.5 cm * 40 cm (260μm * 12 gaps) 60 ps / 99 % LEPS2 の開発目標 (> 50 cm 2 /channel, <50 ps, >99 %) をほぼ満たす
実機と同サイズ ガラスストリップ ギャップ 修論後 さらなるチャンネル数の削減 ストリップの詳細な性能試験 新たなプロトタイプを製作 110 cm * 15 cm 2.5 cm*108 cm (400ch) 4 本 ( ストリップ間 2mm) 260 μm*10 gaps 2.5 cm*108 cm ストリップ間 まとめ読み 110 cm 15 cm
位置依存性 2.5 cm*108 cm 波形 Left インピーダンス ストリップ 5 Ω? アンプ 50Ω Right 11 ns 10 mv ケーブルの長さによる違い 5.5 ns 10 ns 11ns/216cm ~ 5.5ns/108cm ~ 50ps/cm
ストリップ方向位置依存性 時間分解能検出効率 Efficiency (%) Time resolution (ps) 2.5 cm 108 cm Position (cm) Efficiency Time resolution Mean Right (+) Left (-) 時間分解能 60-70 ps 検出効率 99% 以上 第 1 ピークが 2 つの波の重ね合わせ 40cm とあまり変わらない ストリップ垂直方向位置依存性 ( 開発中のAmp(50Ω) 使用 ) 0.2 cm 1.0 cm 2.5 cm 77 ps 78 ps 100 ps 111 ps ADC の値が大きい方のストリップを選択 ストリップ間では 30 ps 程度時間分解能が悪化 ストリップを狭める / シフトする
まとめ読み 2.5cm 108 cm のストリップを 2 つまとめてアンプへ ストリップ中心 70 ps 100 ps ストリップ間 ( 開発中の Amp(50Ω) 使用 ) Amp HARP RPC などで実績あり 1 つのストリップだけを読むのと変わらない分解能達成 まとめ読みでチャンネル数削減 2.5 cm 108 cm ストリップ 2 つまとめ読み LEPS2 で 200ch 相当 (270 cm 2 /ch ) までチャンネル数を削減
まとめ ストリップ長さ 100cmまで伸ばしても時間分解能 検出効率は劣化しない まとめ読み 2 つのストリップはまとめ読みできる 270 cm 2 /ch (200ch 相当 ) で 60ps/99% 達成 ( ストリップ上 ) 読み出し回路 アンプ インピーダンスマッチしたものを開発中 ( 台湾 Academia Sinica) HADES RPCのものも試す TDC CAEN VME V1290を使用予定 ( トリガー ~10kHz) 今後 ストリップ間を狭く / シフトしたものをテスト (10 月 ) 2013 年 LEPS2へインストール予定
LEPS/LEPS2 の皆様 謝辞 Chia-Yu Hsieh さん 野沢勇樹くん 橋本敏和くん 水谷圭吾くん 濱野博友くん 永江知文教授はじめ原子核ハドロン研究室の皆様 修士論文賞の審査員の皆様 理化学研究所の大西宏明研究員 指導教員の新山雅之助教 お世話になりましたありがとうございました
おわりに RPC はまだまだ可能性が ストリップ中の信号の伝搬 高時間分解能 高レート耐性 (~10kHz/cm 2 ) トラッカー (σ ~ 数 10μm) カロリメーター 中性子カウンター ご清聴ありがとうございました
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時間分解能の内訳 σ TOF = 60 ps 260 μm * 10 gaps σ TOF = 50 ps small pad 2.5 cm * 108 cm Long pad 15 ps 10 ps Noise 100 m RPC Amp Discri. TDC Intrinsic? ps Simulation ALICE-RPC との比較 15 ~ 20 ps? Signal Propagation on pad = 30 ps? ps? ps 25 ~30 ps? RF 14 ps 18 ps 改善点 読み出しパッド伝搬の際の時間分解能の悪化を抑える低ノイズ 小ジッターのアンプの開発
アンプ + ディスクリ 読み出し回路 インピーダンスマッチしたものを開発中 HADES RPCで使用されているものもテスト予定 TDC V1290A (CAEN 製 VME) 高トリガーレート (10kHz) Leading/Trailing edge 両方読めるパルスハイト測定にTime-Over-Threshold 法の使用 時間分解能 40ps 18ps GNC-040 (CAMAC) 分解能 60 ps 70 ps 70 ps 2 層で 50 ps ( 70/2 = 50 )
5.0 cm 108 cm ストリップ トリガー高さ : パッド中心 時間分解能 Efficiency (%) Time resolution (ps) Left (-) Mean Right (+) TDC 左側の読み出しのみ分解能が悪い 左 0.5ns TDC 右 Position (cm) ADC ADC 幅 5cm -> インピーダンス 2Ω 幅を広げるのは難しい
レート依存性 時間分解能 検出効率 148 μm*12 gaps Small pad 200 Hz/cm 2 までのレート耐性を確認
ガス レート依存性 時間分解能 260 μm*10 gaps Iso-butane/Butane で大きな差なし
主な RPC
位置依存性 2.5 cm 180 cm トリガー 1cm*1cm
ギャップ数依存性 Data 1/sqrt(N)
ギャップ数依存性 Eff(N) = 1- (1-Eff(1)) N
PMT Amp NIM モジュール Kaizu Works 製 KN2104 型アンプ入力インピーダンス 50Ω 最高繰り返し周波数 850MHz 500 MHz / 増幅率 5 倍
24 ギャップ カソード絶縁体電極 (-HV) 高抵抗板プレート ( ガラス ) 電極 (+HV) アノード電極 (+HV) スペーサー電極 (-HV) カソード絶縁体電極 (-HV) 電極 (+HV) アノード電極 (+HV) 電極 (-HV) カソード
釣り糸
TOF START RF signal 14~18 ps << 50 ps RF signal e- current 1966 ps Bunch Width σ = 14~18 ps RF STOP RPC TDC Amps Bunch of electrons Main contribution RF signal time
物質量 ガラス ポリエチ 5gaps 2.4mm RPC 5gap ~ sinti 1 cm
ALICE TDR
100cm 23cm 3 台 コスト ガラス 1 枚 ~3000 円 印刷基板 1 枚 ~3000 円 カーボン電極 1 枚 ~6000 円 ( 開発費込 ) 10gaps 2.5cm*100cm 8strips -> ~50000 円 製作費学生が頑張る チェンバー ~50000 円なしにもできる
読み出しライン位置依存性 148um * 12gaps 2 cm 1 cm Trigger (1cm * 2cm) at the center of pad