TPCを用いたArCF4isoC4H10
ガスにおけるドリフト速度の電場依存性測定
松田 真宗 児玉 涼太

TPCについて
TPCとは ・・・ タイムプロジェクションチェンバー
荷電粒子の飛跡を三次元的に測ることが可能→反応するときの動きを可視化©️ALICE→ ETCC、LHC/ALICE、T2Kの前置検出器
・などに応用

電離した電子が一方向にドリフト検出器で二次分布と時間を計測
高橋,2009

京大宇宙線MeVグループHPより

今回使ったTPCと今回のテーマ
電子がGEMへドリフト
電場の向き

厚さ100μm

GEMで約10倍に増幅(F.Sauli, 2004)

μ-PICで数1000倍まで増幅
電子の位置情報を検出(高田淳史,2007を一部追記)

今回のテーマ
ドリフト速度は電場が上がるほど大きくなるとは限らない
電場によるドリフト速度の変化から最適な電場を調べたい！

(竹村泰人,2016)

使用ガスと充填方法⚫

油回転真空ポンプ（GLD-136C)を用いて真空引き後、ガスを充填使用した真空ポンプ

ポンプ

配管の概念図

ガスボンベ

ガス配管の様子

使用したガスとその作用

Ar(95%)

CF4(3%)

isoC4H10(2%)

・分子構造に由来する励起準位が存在しない・ドリフト速度を上げる

・ガス利得向上・横拡散を抑える・エネルギー分解能を上げる

・化学的に安定セットアップ①+ −10MΩ

Anode読み出し~

ドリフト領域

GEM Top+ −ΔGEM

Cathode
読み出し-2200V

Drift Top

GEM
Bottom101.6mm

10MΩ
× 18𝐸

50MΩ

-1000V+ −インダクション領域− +μPIC(Cathode)0V(Ground)

-700V

6.4mm

μPIC(Anode)
330V

128strips⚫μPIC⋯2stripsまとめて100μm厚

GEM

読み出し

128strips

μPIC⚫実質800μm

セットアップ②
イワキボード(Anode)
←←
制御読
み出
し・64stripごとに電荷増幅→アナログ＆デジタル出力

HV・2stripごとのhit信号をデジタル出力

イワキボード(Cathode)イワキボードの出力→制
御読み出しデータ→

TPC→

SDC

HV(μPIC)

VME→
データ

PC

SDC、イワキボードはイーサネットで制御133

予備実験： Baのスペクトル測定
スペクトルが見られず、複数の不具合発生
ΔGEM=340V
μPIC：330V
ある領域（2.5cm×2.5cm）

ΔGEM=300V
μPIC：330V

Anode

デジタルhit信号(Anode)➢ Gainが足りていない➢ 特定のstripのみhitし続ける➢ μPICのHV電流が電圧に比例➢ Drift_Topが-2450VでCurrent
Limit➢ Drift Top・GEM Topの電圧が互いに影響しない① ガス純度が低い② μPICの特定のpixelが導通原因の切り分け③ Drift Top・Ground間の放電④ Drift Top・GEM Top間の断線を疑った

不具合の対処と結果①①ガス純度が低い③Drift TopーGround放電

真空度が悪い⇒接合部ゴムにグリス塗布
൞ 水分子の吸着⇒60℃にベーキング＆ テープの使用は最小限に
Drift Top,HV間の接合部

Ground側

はんだ付け→熱収縮チューブ→カプトンテー
プ→ブラックテープ
真空ポンプ停止して1min後の圧力～10Pa→～3Paに改善
しかし、Gainの改善は見られず放電しなくなり、さらなる高電圧印加が可能に② μPIC導通④Drift TopーGEM Top断線

読み出し基板上のstripに対応した抵抗を取ることで、stripを断線させる⇒異常なhitがなくなりノイズ減に成功

Drift Top の接触が悪い⇒別のドリフトゲージに変更
しかし・・・

不具合の対処と結果②◆Drift Top,GEM Bottom間の電位差＞400V⇒オシロで放電ノイズ◆GEM Topの電圧には依存しない-400V Drift Top+ −◆μPIC電圧=0Vでも10MΩ
オシロで放電確認
53mm⇒TPC容器を開け、確認・・・~~×× 10

GEM Top+ −断線
GEMTop,HV間の接合部圧着し直し⇒放電問題解決

GEM Top
GEM Bottom
μPIC側GEM
Bottom+ −-400V
0V− +μPIC(Cathode)

𝒆−

6.4mm

μPIC(Anode)

試験時に誤ってΔGEM=700Vの電圧印加
・GEM Top=-700V
・GEM Bottom=0V
・μPIC：0V

133

Baのスペクトル測定➢ Ba133をTPC容器上に直置きして測定（Drift topとの距離～7cm）➢ GEMTop上面でのX線吸収→Cu特性X線(8.0keV)のピークか？
fitting： 570.8±2.8pC
31keVでのピークを仮定
8.0keVピーク： 555.6±1.3pC⇒相対誤差2.7%
Cu特性Ｘ線ピークと判断
Δ𝐸 2.35 × 𝜎
エネルギー分解能 =~𝐸𝐸𝑄
ガス利得 =𝐸𝑒× ×𝐴
𝑊
𝑄[C]：ピークの電荷量E[keV]：X線エネルギー
𝑊[keV]：電離に必要な平均エネルギー
A=700：プリアンプ増幅率

ΔGEM=300V
ある領域（2.5cm×2.5cm） μPIC：330V

Cu特性X線8.0keV?
133

Ba31keV570.8±2.8pC

2143±5.0pC

エネルギー是正直線

𝑦 = 0.014𝑥 − 0.35[keV]

・エネルギー分解能=23.0%@31keV・ガス利得=𝟏. 𝟔 × 𝟏𝟎𝟒

ドリフト速度の測定
ドリフト速度・・・
ガスの組成・混合比により電場依存性が異なる⇒ ArCF4isoC4H10におけるドリフト速度の電場依存性を測定し、ピーク構造をとることを確認したい

ミューオン・・・• GeV程度のエネルギー、電離損失が小さい⇒TPC容器内で止まらない• 光速の約99.5%⇒ミューオン通過時間
はドリフト時間スケールより十分小さいので無視

PDGよりデータ取得

竹村,2015より

空気でのミューオンの電離損失

1clock = 10ns

入射点：Drift Top
E[MeV]• 1hit時間ΔtはDrift Top,GEMTop間（距離ΔL=53mm） Δtの移動時間に対応∆𝐿

ドリフト速度 𝑣d =∆𝑡

脱出点：GEM Top

Drift速度の解析の流れ
countStart Point

count

End Point

End Point
Start Point

clockclock

短時間で起こったイベントやケージの側面で起こったイベントを省く

clockの一番小さい点(Start Point)、一番大きい点(End Point)についてそれぞれ横軸clock、縦軸count数としてプロット

𝐿𝑣𝐷 =(𝑡𝑒 −𝑡𝑠 ) × 0.01

ガウシアンでフィッティングしてEnd pointとStart pointの平均値を測定

L：ドリフト領域の高さ(cm)
te:end pointのclock
ts:start pointのclock※1clock=0.01μs

ドリフト速度測定結果と解析～300V/cmでピーク構造が見られる
ΔGEM=300VμPIC：330V
MagboltzでのシミュレーションとGEM Bottom=-700V 比べ全体的にドリフト速度が小さい
3.98cm/μs
インダクション電場：1094V/cm

インダクション領域での電離電子がμPICで増幅されhit・・・？
インダクション領域(高さ6.4mm)のドリフト時間0.16μsを用いて補正

𝐿𝑣𝐷 =(𝑡𝑒 −𝑡𝑠 ) × 0.01 − 0.16
⇒かなり改善しかしまだ全体的に低速度
ガス純度が理想的ではないことに起因・・・？

まとめ133• TPCを用いた Baのスペクトル測定によりCuの特性X線ピークを同定し、またガス利得と133Ba31keVでのエネルギー分解能を求め、正常に測定できることを確認した。
• ArCF4isoC4H10混合ガスのドリフト速度の電場依存性にピーク構造が見られることを確認した。
• ピーク構造が見られる理論的背景についてはわからなかった。

ご清聴ありがとうございました