奈良女子大学 峰村さつき
2014/3/7

平成25年度修士論文発表会

1目次
 Belle II実験について
 Belle II実験のCDC(中央飛跡検出器)について

 Inner chamberの製作
 Inner chamberの宇宙線による動作確認
 テストチェンバーを用いたビームによるエネルギー損失分解能の性能評価
 まとめ

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Belle II実験について

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Belle II 実験とは？

 Belle実験(1999年から2010年まで運転)-B中間子のCP対称性の破れの発見
小林・益川理論を検証
KEKB加速器&Belle検出器をアップグレード

Super KEKB加速器&Belle II検出器

 Belle II実験(2016年物理実験開始予定)-Super KEKB加速器：ルミノシティーをKEKBの40倍へ-Belle II測定器：加速器の高度化に対応するよう検出器をアップグレード

大量に生成されたB/D中間子,τレプトンの稀崩壊を精度よく測定

標準理論を超えた新しい物理の探索2014/3/7

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Belle II測定器
電磁カロリメーター

ミュー粒子・𝐾𝐿 検出器

7m
電子 (7GeV)・ピクセルバーテックス検出器(PXD)
・シリコンバーテックス検出器(SVD)
中央飛跡検出器(CDC)

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K/π識別装置
・Time-ofPropagation
counter(バレル部)
陽電子(4GeV)

K/π識別装置
・ focusing Aerogel
RICH (エンドキャップ部)
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Belle II実験のCDC(中央飛跡検出器)について

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Belle II実験CDCの役割、要求性能
 荷電粒子の飛跡の測定＝運動量を高い精度で測定
 運動量分解能
𝜎𝑃𝑡𝑃𝑡∼ 0.3% 1 + 𝑃𝑡 2 (𝑃𝑡 𝑖𝑛 𝐺𝑒𝑉)

 位置分解能[𝜎𝑃𝑡 :荷電粒子の横運動量の分散, 𝑃𝑡 :荷電粒子の横運動量]𝜎𝑟𝜙 = 100𝜇𝑚 , 𝜎𝑧 =2.5mm[𝜎𝑟𝜙 : ビーム軸に対して垂直な面の位置精度,𝜎𝑧 : ビーム方向の位置精度]

 エネルギー損失 dE/dx
粒子識別の情報を取得
 エネルギー損失分解能

6%以内

 トリガー信号の形成
 各検出器に位置情報を与える

低物質量であることが重要
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CDCの構造
Innerchamber
Belle II

Belle

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Belle II CDCにおける改善点
・内筒半径の拡大→放射線の高い領域を避ける→SVDに場所を提供
・外筒半径の拡大
運動量分解能エネルギー損失分解能向上
・信号数が１．７倍に増える

ここに
Inner
Chamberが入る
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Belle

Belle II

内筒半径(mm)77160

外筒半径(mm)

880

1130

信号ワイヤー(本)

8400

14336

層数5056

ガス

ヘリウム50% +エタン50%

ヘリウム50% +エタン50%

信号ワイヤーの直径(μm)

3030Belle II
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Belle
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Belle II CDCの高レート対策
 最内部でビームバックグラウンド増大によるtracking efficiency低下のおそれ
そこで Inner chamberのセルサイズを小さくする
セルサイズ：径 10(mm)×周 6.6~9.5(mm)(メインのcell size: 18(mm)×10.1~18.2(mm))

1,wire1本あたりのヒットレート低減
2,最大ドリフト時間の縮小
3,高い位置分解能の実現(~100um)

 新しい読み出しエレクトロニクス
1,連続的に波形を測定(FADCを使用)
Pre-ampの後のShaperで、shaping timeを短縮
時間的に近接した信号の分離能力向上

2,高いトリガーレートに対して、Dead time無しのデータ収集システム(パイプライン読み出し)

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10Inner Chamberの製作

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11Inner Chamberとは?
 CDC最内8Layer分に相当 サイズ：長さ約135(cm)×半径16~25(cm) ワイヤーの本数：5120本(信号ワイヤー: 1280本)

Backward

ForwardR25(cm)R16(cm)
長さ約135cm

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12Inner Chamberの特徴(1) 低物質量
高い運動量分解能を得るために重要
 Inner Chamber部の全張力(370kg)

 この張力を0.5mm厚のCFRP(Carbon-Fiber-Reinforced Plastic)による内筒で支える。

Inner chamber内筒部の拡大図

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13Inner Chamberの特徴(2) 小さいセルサイズ

径10(mm)×周6.6~8(mm)Ｉｎner chamber

CDC主要部

5mm

9mm

3-4(mm)
5-10mm

(a)
(b)

(c)

Field wire用

 ワイヤー固定用に特殊なツール(feedthrough)がInner chamberに必要

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信号ワイヤー用14Inner chamber製作の様子
そ左右それぞれでワイヤーを張り、固定。
片側が重りをワイヤーにかけることでテンションをかける。
作業工程はメインとほぼ同じ

外筒がないため、ワイヤーを外からガイドすることが容易
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Inner chamberの宇宙線による動作確認
・ドリフトチェンバーの原理
・宇宙線による信号の確認
オシロスコープによる信号確認
ドリフト時間分布
エネルギー損失分布

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16Drift chamberの動作原理
 フィールドワイヤーを接地、信号ワイヤーに約+2kVかける⇒ワイヤーを中心に電場ができる
 荷電粒子はガス内を通るとき、ガス分子をイオン化させながら進む ⇒電子と正イオンを生成
 電場により、生成された電子が移動(ドリフト)
 信号ワイヤー付近で電子雪崩を形成

信号電荷=エネルギー損失
電子

ドリフト時間から粒子の通過位置を測定
信号電荷から粒子のエネルギー損失を測定
約+2kVを印加-GND
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平成25年度修士論文発表会ドリフト時間=通過位置

17ガス漏れと漏れ電流端部の構造が非常に複雑なため、ガス漏れと放電の防止に工夫が必要
 ガスリークテスト-目標値 10cc/min@差圧100mmH2Oを達成

 HVテスト(ヘリウム50% +エタン50%)-各層で定格のHVを印加
最内層1996V-第8層2091V-Gas gain:～2 × 104-漏れ電流：30nA以下(1280本の合計)

どちらも許容範囲と確認

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宇宙線による動作確認
ＦADC(30MHz,10bit)

セットアップ・トリガー：
チェンバー上部 ４ch ＋シンチレーションカウンターFPGAASIC

・試験領域：チェンバー下部6ch×8layerの48ch
Innerchamber

電源

トリガー用
シンチレーションカウンタ(size:厚さ12mm×縦70mm×横300mm)
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Trigger in

Rocket IO
19(High speed datalin宇宙線による信号の確認
 宇宙線の信号確認

時間スケール:200ns(ヘリウム50% +エタン50%)

Layer 2,4,6,8に垂直に一直線で入った宇宙線

電圧スケール
50mV

オシロスコープの画像
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20結果&考察信号電荷分布Event数

Event数ドリフト時間分布

Drift time(nsec)
・最大ドリフト時間 100nsec以下
・ドリフト速度4cm/us(He-C2H6)・100nsecは0.4cm(セルサイズに対応）

信号電荷値(FADC counts)
信号電荷分布は明瞭なランダウ分布を示している。

期待通り動作していることを確認
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21テストチェンバーを用いたビームによるエネルギー損失分解能の性能評価

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22ビームテストの目的
 Belle II実験のCDCでは新規開発した読み出しエレクトロニクスを用いる。
 このエレクトロニクスをチェンバーに接続して高計数率下(30kHz)で十分な性能(エネルギー損失分解能)を得られるか確認するテスト実験を行った。
 この測定には、後述するテストチェンバーを使用。
 ビームテストはLEPSビームラインで実施。

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23テストチェンバー(2種類)
X chamber

XY chamber

 測定に使用するMain リファレンス用のChamberchamber(前後に配置)Axial 8layer ,wire length~490mm

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wire length~200mm
24SPring8 LEPSビームライン
最高エネルギー が2.4 GeVのγ線をコンバーター標的に当てて電子・陽電子対に転換し、~1GeVの電子を使用。

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25セットアップ
リファレンス用Chamber
測定用MainChamber

Beam2014/3/7

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実験ハッチの各検出器の配置

26読み出しエレクトロニクス
ＦADC(30MHz,10bit)

Belle II実験の本番で用いる最終版のエレクトロニクスの構成になっている。
高いトリガーレート(30kHz)において要求性能を満たせるか確認を行うことが本実験の主目的である。

FPGAASIC

電源確認項目・エネルギー損失分解能(この部分を担当)

Trigger in
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Rocket IO(High speed data link)27

エネルギー損失の測定方法
 ひとつのセルをビーム電子が通過した際のエネルギー損

失分布
Event数 ランダウ分布を示し高い値にテールを持つ。

ランダウテール

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信号電荷値(FADC counts)

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Truncated Mean
 荷電粒子は多くのセルを通過する。 (Belle II実験では５６点,この実験では１２点)
 荷電粒子のエネルギー損失は通過したセルの信号電荷量の平均値から求める。
 しかし、ランダウテールの部分を含めて平均値を求めると、分解能が悪化する。
 そこで、全測定点を信号電荷量値の小さい順に並べ、ある割合以上の信号電荷量値の大きい測定点を取り除いて、エネルギー損失を算出する。

これを「Truncated Mean法」と呼ぶ。
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29Truncated Mean の結果
𝜎𝑑𝐸

 80%trancated Mean

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𝑑𝑥
𝑑𝑥=10.6%

Event 数

(測定点12点中ADC値の小さい9点を使用)
 正規分布でフィットした信号電荷分布
イベント数 167037
平均値 224.5 ± 0.1
標準偏差 23.88 ± 0.18
 エネルギー分解能
12層分 10.6%
実機56層では5%が期待できる。
これは要求性能を十分満たす。

𝑑𝐸

ADC count

30

Truncated Meanで使用するサンプル数依存性
エネルギー損失分解能(%)

Truncated Mean Dependence

1413.51312.512resolution(%)

11.5
100%は全測定を使用

1110.51050.0%2014/3/7

60.0%

70.0%

80.0%

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90.0%

100.0%
31110.0%
Fraction of used layer(%)

エネルギー損失の入射角度依存性
Beam
入射角θ
Wire

ビームの入射角度とチェンバーの位置関係
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32単位長さあたりのエネルギー損失

入射角度vs単位長さあたりのエネルギー損失
250

200
150
100500020406080100120
入射角度(°)

Beam1

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θwire

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セルを通過する長さは、入射角θとして、
1に比例
sin 𝜃
33

エネルギー損失の入射角度依存性
荷電粒子の入射角度がワイヤーに対して 17°など入射角度が浅い場合
ワイヤー上で電子雪崩が作られる場所が分散するため、どの電子も同様の大きさの電子雪崩を形成できる。
 90°付近の場合
飛跡に沿って電離された電子がワイヤー上のほぼ同一の領域に向かってドリフトする。遅れてきた電子は既に作られた電子雪崩の影響を受けて、形成する電子雪崩が小さくなる。
(a)17°の場合

Beam(b) 90°の場合

wirewire
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Beam34

エネルギー損失分解能(%)

入射角度vsエネルギー損失分解能(%)
121086490°付近：電子雪崩の重なり合いの効果

浅い入射角度：多くイオン化→エネルギー損失分解能がよくなる200

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2040

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60

80

35

100120入射角度(°)

まとめ
 Inner chamberを製作,動作確認-ガスリーク、漏れ電流を抑え、宇宙線の信号を確認-宇宙線テスト-最大drift 時間 100nsec以下-エネルギー損失はきれいなランダウ分布。

 テストチェンバーを用いたビームによるエネルギー損失分解能の性能評価-エネルギー損失分解能
12層分10.6% 56層では5%が期待できる。

-入射角度依存性 想定の範囲内であった。

Inner chamber,読み出しエレクトロニクスとも、ビーム衝突実験へ向けて準備が整った。

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平成25年度修士論文発表会36

Back up2014/3/7

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37Super KEKB加速器

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38Wire Chamber とは？

 荷電粒子がチェンバー内のガスをイオン化することで電子を生成、ワイヤー付近でガス増幅し、電気信号として取り出す
 安価、巨大化しやすい
 低物質量 ＝ 生成された粒子の状態を損なわない 素粒子実験、原子核実験で広く使われている-素粒子実験に対する貢献度の高さにより発明者のG.Charpakはノーベル物理学賞を受賞
 そのほかにも比例計数管やガイガーカウンタもwirechamber
 下の図は、wire chamberの具体例の1つ
箱の中はガス
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高電圧をかけたワイヤー
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39Point.1 ガス分子のイオン化
 荷電粒子がガス中を通過すると、荷電粒子とガス分子の電子が衝突 ⇒ 電子とイオンを生成(電離、イオン化) 荷電粒子はガス分子の電子と衝突した際、その分のエネルギーを失う = エネルギー損失
 発生する電子の数は、エネルギー損失の量に比例- + 陽イオン- +-++- +電子

陽極ワイヤー+HV40

荷電粒子
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Point.2
生成された電子が移動(ドリフト)
 ワイヤーに高電圧を印加することで電場を形成
 電気力線にそって、電子が陽極ワイヤーに向かって移動 ⇒ 電子のドリフト
 移動中の多重衝突によって移動速度は比較的遅い～50μm/nsec
 移動時間の測定⇒位置の測定 =飛跡検出
電子

陽極ワイヤー+HV

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荷電粒子

平成25年度修士論文発表会-41Point.3 陽極ワイヤー付近でのガス増幅
 細いワイヤー(直径～0.03mm)を使うことで高電場(>30kV/cm)が容易に得られる
 陽極ワイヤー近傍の高電場によって、電子は加速 加速された電子がまたガス分子をイオン化 電子
 この繰り返しにより電子(及びイオン)の数はネズミ算的に増える(ガス増幅、電子雪崩) 増幅度～ １０５まで容易に得られる陽極ワイヤー
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422014/3/7

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43

Belle CDCとBelle II CDCの比較
Belle

Belle II

Sense wire(本)

8400

14336

外筒半径(mm)

880

1130

内筒半径(mm)

77160

層数

5056

ガス

ヘリウム50% +エタン50%

ヘリウム50% +エタン50%

Sense wireの直径(μm)

3030Belle II
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Belle
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Belle II実験での中央飛跡検出器への要求
 生成された粒子の状態の変化を小さく
 飛跡から曲率を求める-多重散乱の影響を考える
必要あり
 低物質量-使用ガス ： ヘリウム50%+ エタン50%-外筒+エンドプレートの質
量：約400kg

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 運動量分解能の荷電粒子に対して

 位置分解能Belleでは平均~130(μm)
Belle IIでは~130(μm)かそれ以上の位置分解能を目指す

45

CDCのワイヤー配置
 陽電圧をかける細い(直径)赤：シグナルワイヤー(Sense)の八方に青：グランドグランドとなる(Field)となるワイヤーを配置
 ワイヤーには、まっすぐ張るもの(Axial),斜めに張るもの(stereo)があり、これにより3次元の位置情報(飛跡)が得ることができる。

StereoAxial

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46Gas Gain and Drift Velocity
He-C2H6(50/50)

Belle

BaBar
PLUTO (CLEO-III)

Operation Point~2.3KV

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平成25年度修士論文発表会※宇野さんセミナースライド
2012.10.16

電場が高いほどドリフト速度が飽和47＊熱圧縮チューブ取り付け

熱収縮チューブに熱をかけてないものを使用＊読み出しケーブル製作

ボードへ

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Sense wire へ

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48

セットアップ(トリガー)
トリガーのブロックダイアグラム

チェンバー上部
トリガー用 同layer横並びに ４ch使用

シンチレーションカウン
タからDiscrioutin

トリガーワイヤーから

チェンバー
下部
データ取得
用
6ch×8layer

Delay
200nsin

Fanin

トリガー用
シンチレーション
カウンタ
HV=1.6kV

inFanoutoutoutin

A out G.G
coincidenceBトリガー
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49

Read out system Block Diagram1trigger

Readout FIFO
(data format,圧縮）

TDC(1ns/count)

AnalogTo
DAQ

FPGADigital
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Ring
Buffer(8us)

Rocket IO

From Pre
CDC amp,
Shaper,FADC
I/F

IO I/F

ADC(10bit,30MHz)

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50

Frontend Board , Readout system
Block Diagram※Belle II TDR

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51

Inner chamberの様子
データ取得側

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平成25年度修士論文発表会

52

各LayerのＨＶlayer

HV[V]01234567

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1996
2068
2081
2091
2101
2110
2118
2091

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53Gas leak test
Gas leak test
115

差圧 （mmH2O）

110
105

100
9590
y = -0.855x + 112.54858005101520253035経過時間 (分）

2014/3/7

平成25年度修士論文発表会

54事象選択(信号電荷分布)
 各Layerに１hit シングルパルス 〇ダブルパルス × 全てのlayerにhit

2014/3/7

平成25年度修士論文発表会

55テストチェンバー(リファレンス)2014/3/7

平成25年度修士論文発表会

56

テストチェンバー(Main Chamber)

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57

LEPS 角度依存性 測定時の模式図
入射角θWire

2014/3/7

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58スペースチャージ効果 電子雪崩が生成されると電子はアノードワイヤーに、正イオンはカソードにドリフト
 正イオンの質量が電子に比べて格段に大きため、ドリフト速度が遅く、正イオンはワイヤー近傍からすぐには離れない。
 この正イオンが作り出す電場により、電子雪崩の先端では電場が低くなり、電子雪崩の成長が抑制される。これをスペースチャージ効果と呼ぶ。

2014/3/7

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