■ 研究紹介

アトラス実験ミューオントリガーチェンバーの開発
KEK 素粒子原子核研究所

田中 秀治

shuji.tanaka@kek.jp

2006 年 (平成 18 年) 8 月 31 日

1

はじめに2007 年に始まる LHC 実験では 14 TeV の陽子陽子衝突によって、1 TeV 周辺の素粒子現象の直接探索が初めて可能になろうとしている。ここでは、トップクオークの大量生成、ヒッグス粒子の発見やその性質の研究が可能になり、標準模型におけるゲージ対称性の破れの機構の解明につながることが期待される。また超対称模型や、その他標準模型を越える粒子の発見やその性質の研究により、超対称模型の破れの機構自体が明らかになる可能性が考えられる。LHC 加速器では ATLAS [1]、CMS、ALICE、LHCb の四つの大型実験が計画されているが、われわれ

図 1: ATLAS 検出器建設の様子。現在ではバレル部ミューが参加している ATLAS 測定器は高さ 25 m、長さ 45 m

オンチェンバー、液体アルゴンカロリーメータ、ソレノにもなる最大の検出器になる (図 1 は地下での建設中のイドマグネット、内部飛跡検出器などがインストールさ現場）。

れている。

日本 ATLAS グループは 1994 年に結成され Thin Gap

Chamber (TGC) [2][3]、シリコンストリップ検出器、ソより曲げられるが、ミューオンの横方向運動量が大きい

レノイドマグネット、Monitored Drift Tube 用 TDC チッ

程直線に近くなり、そのずれの大きさで横方向運動量をプなど ATLAS 検出器のさまざまなハードに貢献してお測定できる。Higgs 粒子や SUSY などの物理現象を伴うり、さらには物理解析のみならずシミュレーション、ト事象の中には、この横方向運動量の大きなミューオンをリガーなどのソフトウェアなど多岐にわたって参加して伴うものがあるので、トリガー検出器によってこのよういる。ATLAS 実験で用いられる ミューオンスペクトロな事象を効率的に弁別することが可能になる。

メータは超伝導トロイド電磁石が特徴的で、機能別に超TGC は一般には MWPC（多線式比例計数管）と呼ば伝導トロイド電磁石、高精度飛跡検出器、トリガー検出れる構造をしている。断面を見ると、直径 50 µm のタン器の三つに分けられ、スタンドアローンによる運動量測グステンワイヤーを 1.8 mm 間隔に張ってある面があり、定を可能にしている。高精度飛跡検出器としてはビーム

その面から 1.4 mm 離れたところにグランド面となるカーに近い部分には Cathode Strip Chamber (CSC) が用いボン塗装したプリント基板が両側に配置されている。タられているが、それ以外の領域は直径 30 mm のドリフ

ングステンワイヤーには 2.9 kV の電圧を印加して、ガトチューブを束ねた Monitored Drift Tube (MDT) が使ス中を通過した荷電粒子よって作られる電子を 10 6 程度用される。トリガー検出器としては barrel 部に Resistive

ガス増幅し ASD (Amp-Shaper-Discriminator) [4] によっPlate Chamber (RPC)、バックグラウンドのヒット数がより厳しい endcap 部に TGC が使用される。トリガーてバイナリー信号として検知する。この検出器の特徴としては荷電粒子が入射してから電気信号が出力されるまシステムにはミューオンの横方向運動量による弁別と衝での反応時間が 25 ns 以下で短く [5][6]、さらに耐放射線

突バンチ (25 ns 毎) の同定が要求される。ミューオンス性が高いことが挙げられる。このような構造は高エネルペクトロメータに入射したミューオンはトロイド磁場に1

生産設備を KEK の富士実験棟に設置し、12 名で生産工程毎に分割した 9 ブースを使用することで並行生産を可能にした。特に日本では予算と日程の関係より 1 日 2枚の TGC 生産を達成することが命題となり、それを満たすために試作時においてさまざまな工程、道具の自主開発を東大、信州大、神戸大の協力で行った。

製作工程

3

製作工程は約 20 工程ほどあるが大きく分けると以下の10 工程に分割される (1 日当たり必要数）：図 2: TGC の断面図

1. 材料確認およびマスキング (4)ギー物理の世界では珍しいものではないが、大きさが約1.5 m × 1.5 m で、なおかつ生産枚数が 1000 枚を超えるというのは日本では前例のない作業であるといえる。

2. カーボン塗装 (4)3. フレーム（内部構造の骨組み）接着 (4)2

4. ワイヤー巻き・はんだ付け (2)TGC

5. HV 試験および TGC 閉じ工程 (2)TGC の内部構造は図 2 のようなものになっており 50

6. ダブレット・トリプレット製作 (1)µm と比較的太いワイヤーを用いることで広い範囲で高い電場を形成し、アノード・カソードギャップが狭いこ

7. HV 試験および信号確認 (2)とにより高頻度入射での出力電荷の低下を防いでいる。
ガスは高いクエンチ能力を与えるため CO2 (55 %) + n-

8. 信号読み出し部分の取り付け (1)Pentane(45 %) を使用し、印加電圧は 2.9 kV を与える。

9. CO2 チャンネル製作（外周部分の処理）(1)構造体は FR4 を使用し、グラウンドを与える高抵抗のカーボン（1 M Ω/□) を塗装することで反対面に張った10. 神戸大へ搬送

ピックアップストリップによる二次元読み出しを可能にしすべての工程は 1 日に並行して作業を行ったが、カーボている。またワイヤーサグを防ぐためのワイヤーサポーン塗装作業だけは東大、信州大、神戸大の協力で月に一トなどの不感領域が存在するためダブレットまたはトリ度まとめて行った。ここでは今回の生産のために開発しプレット構造にすることで不感領域を補完している。

た特徴のある部分を紹介する。

ATLAS におけるトリガーチェンバーに対する要請は以下のようなものが挙げられる [6][7]：3.1

1. 高い検出効率 （99 %以上）

ワイヤー巻き・はんだ付け

今回の TGC 生産において約 80 万本のワイヤーをハン

2. 早い反応時間 （25 ns 以下）

ダ付けすることになる。また TGC 内部で 1 本でも破断

3. 放射線耐性 （1 C/cm)
4. 高頻度入射耐性

もしくはクリープ現象による緩みなどが起こると作動させることが出来なくなる。このため使用するタングステ2(1 kHz/cm 以上）

ンワイヤー生産時のアニ−ル温度のコントロールおよびTGC 量産のための試作は 1999 年 1 月より開始し、2001
年 1 月より量産が開始され、2005 年に終了した。ATLASに用いられる TGC は 3600 chambers, 読み出し 32 万

金メッキ厚の設定（メッキが厚いと AuSn4 が生成され機械接合力が落ちるため 0.3 µm とした [8]) は安定生産において重要な項目に挙げられる。われわれはコスト、生channels, 総面積は 2700 m2 に及びトリガーエレクトロニ
クスはほぼすべて日本が担当している。TGC の生産は日産へのフィードバック対応などを考慮してアライドマテ
リアル社（旧東京タングステン）の製品を使用した。ま本、イスラエル、中国で行われ日本では 3600 台中 1056

たハンダは 350 gw の張力で張ったワイヤーを保持でき台を担当している（予備品込みで約 1200 台）。

2

るように Sn(80)+Zn(20) の非共晶ハンダ（共晶は 91:9）

Silicon rubber sheetを用いた。ちなみに一般に使用される Sn(60)+Pb(40) はAluminium Honeycomb

共晶ハンダであるためワイヤーを保持能力の落ちるフィTGCレット状にしか接合できなくなる。フラックスはハンダ付け後のイオンマイグレーションを防ぐために ZnCl2 をGranite table主成分とする水溶性フラックスを用いた。しかしながらPressure1(-10 kPa)
Pressure2(-40 kPa)

ZnCl2 残渣は吸湿性の腐食性を持つ [8] ため洗浄する必要が生じるが、これは Sn(80)+Zn(20) の融点が約 280 度と高いことで松脂系では安定使用が難しいためである。ワ

図 3: TGC 閉じ工程のセットアップ図。ワイヤーを張っイヤー巻き作業を自動で行うために FR4 板を回転させる

た FR4 板は石定盤にマイナス 40 kPa の圧力で吸着し、メイン部とワイヤー送り出し部からなるワイヤー巻き機

蓋になるもう一枚はアルミハニカムに同様に吸着しておを KEK 工作センターの協力で製作した。これは一度に 2互いの平面性を確保する。さらに全体をシリコンラバー枚の板を約 4 時間で張り終えることが可能である。ハンで覆いマイナス 10 kPa の圧力を与えることで一様な力でダ付けの終わった FR4 板はハンダ部分を純水の超音波洗接着することが可能になる。これらの圧力差はソレノイ浄で残渣を除去し、板全体もスプレー噴射により洗浄をドバルブによるフィードバックエアーシステムによって行った。

3.2

PP mesh 0.5 mmt
Si-Rubber(0.5mmt) for seal実現している。

HV 試験および TGC 閉じ工程

ハンダ付けを終了した FR4 板はワイヤーテンションによって弓のように最大 10 cm 程度歪むことになる (ワイヤーの緩みはこの時点で目視で行った）。また TGC のギャップは 1.4 mm しかないため 100 µm 歪むとゲインで10 %以上変化を与えることになる。このため平面性を確保するために図 3 のセットアップを開発した。FR4 板を吸着するためのシール部分には粘性を持たすためにイソプロピルアルコールで表面処理した 0.5 mm 厚、幅 2 cmのシリコンラバーを用いた。さらにシール部分の厚みと合わせるために 0.5 mm 厚ポリプロピレンスクリーンを

図 4: エポキシ接着剤（Araldite2011) 硬化時の温度の変シール内側に張った。このスクリーンが一様に隙間を与化。100 cc のカップに 10, 50, 100 cc と入れた時の内部えることにより FR4 板を 100 µm 以下の歪みで石定盤に温度の変化。100 cc の場合は約 2 時間で完全硬化する。

吸着させることが可能となった。

TGC は一度接着すると二度と分解できなくなるため、塵などによる放電の有無を接着前に調べることは非常にポリエステルの一種で耐薬品性があり、単位面積当たり重要になる。そこで HV 印加試験を図 3 のセットアップにいるところが特徴である。またエポキシは硬化前であれおいて圧力コントロールに用いるフィードバックエアー

ば水で洗浄可能であるため、高水圧洗浄器を用いて繰りとして炭酸ガスを使用して行うことにより生産歩留まり返し使用することにより低コストを実現した。TGC の接を向上させることが可能になった。さらに接着作業では着後の平面性の結果を図 5 に示す。 この接着工法は 2 枚接着剤の均一な塗布作業が重要になる。図 4 は一般的な（または 3 枚）の TGC を接合するダブレット（トリプレッ二種混合型エポキシ接着剤の混合量ごとの内部温度の時ト）接着の工程でも応用して使用した。の糸強度がステンレスの 2.5 倍と強度・耐久性に優れて間変化を表している。量産においては均一な品質が求められるためこのような依存の影響を除去する必要がある。

3.3

このためエポキシ塗布のためにポリアリレート繊維を用品質管理および試験いたスクリーン印刷で均一厚に塗布する工法を開発した。

TGC 量産においては先ほど表した工程を並行生産で製面積当たりの塗布量はメッシュの密度およびマスクの厚作を行うため各工程における品質管理が生産歩留まりにみでコントロールが可能である。ポリアリレート繊維は3図 6: 神戸大学における宇宙線試験（5 mm 四方のセグメント単位で測定している）。(a) 平面性がよい場合のサン
図 5: TGC 接着後の歪み。ほとんどの測定点で 100 µmプル。ワイヤーサポートと有感領域がきれいに分かれて以下になっている。

いる。(b) 接着時に歪みのあったサンプル。

影響する。たとえばトリプレットの場合、6 枚の FR4 板により構成される。各工程における組み合わせはデータベースを用いて決定されるが 1 枚でも不良があると製品として使用できなくなる。各工程で試験した後、TGC を閉じる工程までの不良品は一旦分解して再利用している（それ以降では再生不可能）。
以下に生産中に行った主な試験項目を挙げる：

1. グラウンド電極であるカーボン面の面抵抗測定（ストリップ読み出しを保証するため）
2. パーツ接着後の厚み測定
図 7: 組み上がったセクターの様子。

3. HV 試験（高電圧印加可能であることを確認。インストールまでに 6 回行われる。）で構成され各 7 層の TGC を用いて Pt トリガーおよびリードアウトを行う。32 万 channels におよぶ膨大な信号

4. テストパルス（矩形波を HV 印加部より与えて、各読み出しのクロストークを用いて信号の結線を確認）

線はすべてをエレキハットへ配線することが出来ないた
め、一部のエレクトロニクスは TGC 上に設置すること

5. ガスリーク試験になる。このインストール作業は日本からは東大 ICEPPが中心となって各大学の協力で行われている。

6. β 線を用いた信号確認

円盤を 12 分割した扇形のフレーム (セクター) に、1 台これらの品質管理を行ったことで TGC の生産歩留まり

約 2 m2 の台形をした TGC ユニットを順次設置していは約 99 %を保ち、ダブレット（トリプレット）ユニットる（図 7）。1 つのセクターあたり、18 台または 22 台の工程までの歩留まりでも 97.5 %と高水準になった。神戸

ユニットが取り付けられる。円盤の総面積は約 2700 m2

大学への輸送後、ガスリーク試験、HV 印加試験、宇宙線あり、すべてを覆うのに 1488 ユニットが設置される。ま試験を行ったがこれによる歩留まりは 96 %となった [9]。

たユニットは 1 枚が 80 kg 近くあり、とても人の手では不良品の半数は生産初期に平面性が悪いものなど品質が持ち上げることが出来ない。そのため、特別な吊り具を安定していないものであった (図 6 に宇宙線試験での検作成し、クレーンを用いて吊り上げてセクターに取り付出効率結果のサンプルを示す）。

けている。ユニットは取り付けられる場所により様々な角度に傾けて取り付けなければならないため、吊り具は4中心で回転出来るよう製作されている (図 8)。エレクト

CERN における建設ロニクスの接続やガスの流入、HV の印加テストなど様々神戸大学で試験された TGC は 2005 年までに海路でなチェックを行った後に、地下 100 m の実験ホールに移CERN に輸送され、TGC を円盤状への組み上げ（BigWheel）を開始した。Big Wheel は両端 3 面づつの 6 面され円盤状に組み上げられる。2006 年 7 月 3 日に最初のセクターが実験ホールに移動した。移動にはタイヤが 404

図 8: TGC を吊り具で設置する作業。

図 10: 現在、ATLAS 地下ホールにおいて TGC の建設が進んでいる。

5おわりに1999 年より TGC の生産のための試作を開始し、2001年より約 1200 台の TGC 量産を行った。量産では 1 日 2台の TGC を生産できるように 20 以上の工程に対し生産管理を行い、生産歩留まりは 97.5 %となった。生産したユニットは神戸大学で宇宙線試験を行った後、現在インストールを行っているところである (図 10)。2007 年夏までにインストールを終了し、秋より LHC 加速器の運転が開始される。運転開始時は LHC での加速は行わず 450
GeV ビームで衝突させる予定である。この時期エレクト

図 9: セクターをトラックで輸送している様子。

ロニクスのチューニングを行い 2008 年には 7 TeV まで個も付いた台車上にセクターを載せてトラックで牽引し、加速して物理実験を開始する予定である。

移動中は極力振動を与えないよう非常にゆっくり (時速今回の KEK における TGC 生産は KEK、東大 ICEPP、10 km 以下) で輸送された (図 9)。地上から 20 分かけて地下 100 m の実験ホールに降ろされたセクターは、壁に一時的に固定され、そこから徐々に円盤状に組み上げら信州大、神戸大の協力なしでは実現しえなかった。学生・れた (図 10)。今後 2006 年末までに全体の半分にあたる

大きく、ここに感謝する。また TGC 部品の供給およびエンドキャップ片側全三面の Big Wheel が組み込まれ、生産工法について助言を頂いた Weizmann Institute of

宇宙線を用いた動作テストを行う予定である。

Science の George Mikenberg 教授、Meir Shoa 氏に感謝する。

スタッフの皆さんに感謝する。特に生産設備の建設現場においては横山千秋氏、近藤敬比古教授の貢献は非常にCERN には様々な国の研究者が集まって来ており、セクターへの取り付け作業は、非常に国際色豊かな現場となっている。現在、日本グループの他に、イスラエルや参考文献

中国、さらにはパキスタンなどからの協力のもとに TGCシステムの建設作業が進められている。彼らとのコミュ[1] ATLAS Muon Technical
CERN/LHCC/97-22, (1997).

ニケーションは英語で行われ、現場では常に活発な議論が繰り広げられている。また、作業が一段落したときには皆でパーティやバーベキューなどをして、より信頼関DesignReport,[2] K. Nagai, Nucl. Instrum. Meth. A384 (1996) 219.

係を深めている。

[3] A. Rimoldi, Nucl. Instrum. Meth. A409 (1998)
669.

5

[4] O. Sasaki et al., CERN /LHCC/ 96-39, Second
Workshop on Electronics for LHC Experiments,Balatonfured, Hungary, September 1997.
[5] D. Lazic et al., Nucl. Instrum. Meth. A410 (1998)
159.
[6] Y. Arai et al., Nucl. Instrum. Meth. A367 (1995)
398.
[7] H. Fukui et al., Nucl. Instrum. Meth. A419 (1998)
497.
[8] 大沢直, ”電子材料のはんだ付技術”, ISBN4-76931033-1, 工業調査会[9] T. Sugimoto et al., IEEE NSS Conference 2003.

6