荷電粒子飛跡検出器ドリフトチェンバーの構造と性能テスト

荷電粒子飛跡検出器ドリフトチェンバーの構造と性能テスト Shibata-lab. Shou Miyasaka - Contents - 1. MWPC(Multi Wire Proportional Chamber) および DC(Drift Chamber) とは何か 2. E906 実験の物理と spectrometer 3. Station 3 Drift Chamber の性能テスト 4. まとめ 2011/10/22 1

1. MWPC(Multi Wire Proportional Chamber) および DC(Drift Chamber) とは何か 私は 2011 年 10 月に博士課程に進学したので 主として修士課程での研究内容を発表する 素粒子物理学や原子核物理学の実験では ビーム同士や ビームとターゲットの衝突により生成された粒子の軌跡を検出する検出器が良く使わる MWPC (Multi Wire Proportional Chamber) は その軌跡検出器の一つである MWPC は 1968 年に Charpak によって発明された Charpak はこの功績により 1992 年にノーベル物理学賞を受賞した MWPC 初期電子 2 mm < 電子雪崩 > ワイヤーの付近では電場が強いため 電子が急激に加速される その電子は他のガス原子を電離させて それを繰り返し 電子の数が急激に増える 2011/10/23 2

- MWPC の特徴 - 印加電圧によって 陽極ワイヤーに集められる電子の数が変わる MWPC は比例計数管領域で使う 陽極ワイヤーに集められる電子の数は初期電子数に比例する 増幅率 : M = 10 3 ~ 10 6, M = Ke CV 荷電粒子により生成された電子は 通過した場所から最も近いワイヤーに集められる 信号を読みだしたワイヤーの位置から 荷電粒子がどこを通ったかが分かる MWPC を多層に重ねることにより 3 次元の軌跡を求めることが出来る ワイヤー間隔が狭いため 大型のものを製作するのは大変 荷電粒子 2011/10/23 3

- DC (Drift Chamber) の構造と原理 - カソードワイヤー (~-2kV) 荷電粒子 陽極センスワイヤー (GND) 初期電子 フィールドワイヤー (~ -2kV ) DC は 数百個のセルで構成される セルは - 中心 : 陽極センスワイヤー - 右端と左端 : フィールドワイヤー - 上下 : 陰極ワイヤーで構成されている 検出の基本原理は MWPC と同じ 2cm DC は 大面積を (MWPC に比べて ) 少ないワイヤー数で精度良く (~ 数百 μm) 検出する目的で開発された ワイヤーの電圧のかけ方と適切なガスの選択でドリフト領域の電子のドリフト速度を一定にする ドリフト速度 w が一定なので t₀ と t₁ を測定することにより 荷電粒子の入射位置 x を決定できる x t t 0 1 wdt w( t t0) t₀: 荷電粒子の入射時刻 t₁: 検出時刻 DC のセルの概念図 1 4

2. E906 実験の物理と spectrometer E906 physics motivation 陽子構造を探る Drell-Yan 過程 (qq γ μ + μ ) を利用する ミューオンを観測する E906 spectrometer Targets 水素 重水素 原子核 targets First dipole magnet Second dipole magnet 4 tracking stations Hodoscopes Drift chamber or drift tubes 私たちは 3 番目の Station 用に Drift Chamber を製作した μ 2011/10/22 25 m 5

- Station 3 Drift Chamber - 新しい Drift chamber の性能 検出面積 : 1.6 m (vertical) x 2.2 m (horizontal) 6 Active layers : U, U (+14 o ), X, X (+0 o ), V, V (-14 o ) 位置 resolution : < 400 μm per plane Rate 耐性 : ~300 khz per wire at maximum. Gas 選択 Argon : CO 2 (80:20) V U U X X V Station 3 drift chamber 1.7 m 2011/10/22 6

- Station 3 drift chamber and the test drift chamber - Station 3 drift chamber @Fermilab The test drift chamber @Tokyo Tech 1.7 m 1.7 m 2011/10/22 7

3. Station 3 Drift Chamber の性能テスト Drift chamber のデザイン 読み出し回路の製作 Drift chamber の製作 インストール ( 配線等 ) Garfield プログラムによるシミュレーション (i) Raw signal の観測 (ii) 電子の増幅率の計測 (iii) Drift time の分布の計測 (iv) 検出効率の計測 空間 - 時間関係式 (x-t curve) と位置 resolution の測定 Garfield プログラムは - セル中の電場分布 - ガスの性質 - イオン化過程 - 信号生成過程等をシミュレートします 2011/10/22 8

Raw signal とは 陽極ワイヤーから直接得られる信号 宇宙線ミューオンを測定 E906 実験で測定するミューオンと落とすエネルギーの量がほぼ同じ - (i) Raw signal の観測 - Setup Setup < Top view > < Side view > Scintillator Drift chamber 15 cm 綺麗な Raw signal が観測された ノイズは抑制された < Front view > 40 cm 1 cm 8 cm 2011/10/22 9

- (ii) 電子の増幅率の計測 - 電子の増幅率は 初期電子の数と 信号として読み出された電子の数の比 読み出された電子の数は Raw signal の面積を求めることにより算出される 初期電子数はガスの種類と荷電粒子が落とすエネルギーの量から算出される 増幅率 :M = Ke CV 測定の結果は上の式に従う 測定の結果はシミュレーションの結果とオーダーが同じ 読み出された電子 初期電子 400 ns 30 mv 2011/10/23 10

- (iii) Drift time の分布の計測 (iv) 検出効率の計測 - Drift time の分布 検出効率 350 ns トリガーと 実際に信号を得た時の時間差を計測 最大のドリフト時間が分かる トリガーに対して信号を得る確率 (1レイヤー ) 電圧を上げるに連れて 検出効率も上がる 11

4. まとめ MWPC は Charpak によって発明された 荷電粒子軌跡検出器である Drift Chamber は 大面積を (MWPC に比べて ) 少ないワイヤー数で精度良く (~ 数百 μm) 検出する目的で開発された E906 実験は Drell-Yan 過程 (qq γ μ + μ ) を用いて 陽子構造を探る E906 の日本グループはミューオンの飛跡を検出するための大型の Drift Chamber を製作した 私はこの Drift Chamber の基本的な性能テストを行った (i)raw signal の観測 (ii) 電子の増幅率の計測 (iii)drift time の分布の計測 (iv) 検出効率の計測 私たちは現在 空間 - 時間関係式 (x-t curve) と位置 resolution の測定を行なっている 2011/10/24 12

Back-up slides 2011/10/22 13

Flavor symmetry breaking in sea quark A proton consists of valence quarks, gluons, and sea quarks. Gluons can split into quark-anti quark pairs. u u d Bjorken x = p parton P proton The distribution of the parton in the proton : q(x) We focus on the anti-quarks distribution in the sea quarks. d No theoretical models can reproduce this Naïve assumption d x = u(x) in the proton NMC (Muon deep inelastic scattering,1991) 1 0 [d x u(x)] dx > 0 NA51 (Drell-Yan process ) d x > u x at x = 0.18 E866/NuSea (Drell-Yan process) d (x) u(x) d x u x for 0.015 x 0.35 2011/10/24 14 x

SeaQuest experiment SeaQuest experiment will extend the x region of Drell-Yan measurement. d x u x for 0.1 x 0.45 SeaQuest will use a 120 GeV proton beam. Cross section for Drell-Yan process Expected errors are shown on the CTEQ6 curve DY measured 2011/10/24 15 Mass of the virtual photon

セル構造 :2 cm 四方の四角形構造 フィードスルー方式 ミューオン ( ほぼ垂直 ) Guard Wire (φ80μm ) Sense Wire (φ30μm ) Field Wire (φ80μm ) Cathode Wire (φ80μm ) 2 cm 2 cm 16

(ii) Measurements of amplification of electrons We call the amplification of electrons Gas gain. Gas Gain M = N t N p N p = (Number of primary electrons) = de dx x 1 W = 179 electrons N t = (Number of total electrons) = 1 e = Idt = 1 e R Vdt 1 1.6 10 19 [C] 500[Ω] Vdt P10 (Argon : Methane (90:10)) gas was filled in the drift chamber. Cosmic-ray muons e : Elementary charge R : Readout resistance Vdt : Area of raw signal de dx : Energy deposit of muon x : Path length of muon W : Energy to create one electron 30 mv 400 ns 2011/10/22 17

The gas gain was 10 4 ~10 6 The gas gain increases when the HV value increases. The measured results and the simulated results agree in order of magnitude. The measured value is about twice the simulated value. The measured result shows the better gas gain in our measurement. The measured and the simulated results are consistent within errors < Systematic errors> R : ±5% Vdt : ±15% +5% de dx : +15% x : ±10% W : ±25% Density of gas : ±5% Diameter of sense wire (±10%) : ±80% Total : 86%, +88% Note: The effect of the diameter of sense wires on the gas gain is large. <Estimated change in gas gain> Diameter of sense wire : 30 μm 29.4 μm ( 2%): 110% 28.5 μm ( 5%): 130% 27.0 μm ( 10%): 180% 26.5 μm ( 13.3%): 200% 25.0 μm ( 16.6%): 290% 2011/10/22 18

(iii) Measurements of distribution of drift time ASDQ card, Level Shifter board : Readout electronics of SeaQuest Measured result Simulated result 350 ns 250 ns There is a peak at the short drift time. The forms of the distributions are similar. The width of the distribution is about 350 ns. It is wider than the simulated result. The calibration of TDC was checked and is correct. Incident angle of muons does not change the simulated result. I will study further. Expected muon rate in SeaQuest : 300 khz = 1 signal / 3.3 μs This drift chamber can tolerate the muon rate (300 khz) in the SeaQuest experiment. 19

(iv) Measurements of detection efficiency Single layer efficiency We defined the efficiency as a probability to obtain a hit in the time window of TDC triggered by a cosmic-ray muon. The accidental coincidence is 0.07%. Time window of TDC : 520 ns The efficiency increases when the HV value increases. The single layer efficiency reached 95% at HV= 2.75 kv. The reason for the efficiency not reaching 100% at high voltage region Trigger has about 1% of accidental coincidence About 1% of signals are cut out due to the time window of TDC Muon traversing around the edge of the cell. Threshold for the signals was maximum. It can be lowered. I continue to improve the efficiency. 2011/10/22 Detection efficiency of the 6 layers 20

Drell-Yan process and how to measure the ratio of d and u beam target Fixed target experiment Valence quarks in beam at high-x. Anti sea quarks in target at low -x. For d x 1 4u x 1, measured σ pd 2σ pp is directly sensitive to d x 2 u x 2 2011/10/24 21

電子の拡散 陽極に向かいドリフトしている電子は拡散している 位置分解能を上げるために電子の拡散を抑える必要がある 電子の広がり σ は以下のように表される 電子群 σ 2Dx 2Dx 2Dt w E 2 x ee D: 拡散係数 [cm^2/s] μ: 易動度 [cm^2/vs] ε: 特性エネルギー [ev] w: ドリフト速度 x: ドリフト距離 E: 電場 衝突断面積を最小にする ( ラムザウア効果 ) ときの電子の持つエネルギー ドリフトしている電子群の拡散の様子 上式よりわかるように σ は ε に依存している これより ε の小さいガスを選ぶことが DC の位置分解能を上げるために重要である ex) Ar isobutane (75% - 25%) ε ~0.2eV at 1kV/cm 電場にかかわらず σ ~200μm をとる

Ar:CO2 2011/10/24 23

Electric field of MWPC 2011/10/22 24

Station 3+ Drift Chamber

Station 3+ Drift Chamber

< Top view > Magnet Iron DC1 Magnet DC2 DC3 wall St.4 Target L φ x R p = ebr, φ = L R y z < Side view > Magnet Iron DC1 Magnet DC2 DC3 wall St.4 Target θ y x z

Single hit rate 2011/10/24 29

Monte Carlo simulation X (beam) X (target) Feynman X Mass of the virtual photon 2011/10/24 30

2011/10/24 31

CTEQ x 2011/10/24 32