アクティブ標的として用いるGEMを使用した
タイムプロジェクションチェンバーの開発
東京大学大学院 修士2年
秋元 亮二
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Contents
• イントロダクション
• アクティブ標的GEM-TPCの概要
• シミュレーションによる性能評価
• TPC性能評価実験
• まとめ
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Introduction
Unstable (heavy)
nuclear beam
Recoil light nuclei
 不安定核実験
• 非対称核物質の性質
• 安定核領域外での核構造
• 効率的に高励起状態を実現
→ 逆運動学での実験（不安定核がビーム）
 非対称核物質の性質研究
• 非圧縮率、Gamov-Tellar 遷移強度測定 etc.
→ DL=0の反応で実現
→ 前方散乱が重要
- 断面積が大きい
- 他の励起状態と分離しやすい
• 反跳粒子の測定
反応後の不安定核は検出器の前で崩壊、
精度がよくない
cf.) ds/dW of 208Pb(a, a’)
calculated by M. Ito
→ 前方散乱の反跳粒子を測定することが重要
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運動学

68Niビーム（200
MeV/u）を用いたa非弾性散乱
• 非対称核物質の非圧縮率
• 前方散乱（CM系で5°以下）
→ エネルギー：< 1.5MeV/u
→ 標的、検出器の物質量を小さくすることが必要
→ アクティブ・ターゲットTPC
ガス標的 + ガス検出器
 要求性能
• ターゲット厚 : 薄い
→ 高レートビーム（106 cps）で動作可
• 角度分解能（重心系） : 3.5 mrad (RMS)
→ 角度分解能 ： ~ 7.45 mrad
→ エネルギー分解能 : ~ 10%
Excitation energy :
20MeV (assumed)
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TPC概要
Beam
 フィールドケージ
Recoil
• 高レートビームでの動作
25cm
→ space chargeの問題で電場がゆがむ
→ フィールドケージを二つに分け、ビーム
通過領域をワイヤーで遮蔽。ビームは二つのケー
ジ間を通過
Pad
→ ケージ中へ散乱された反跳粒子をとらえる
GEM
• ドリフト長 : 25 cm
(10cm×10cm)
 ガス
ターゲットに依存 （Ex: 4He, 3He, d2 etc.）
 Readout chamber
• Gas Electron Multiplier (GEM)
Beam
16.45mm
レート耐性がよい
4cm
• 読み出しパッド
- 形状 : 直角三角形（センチメートルスケール）
- 隣り合う二枚の電荷比 & ドリフト時間で
Wire
位置を導出
(double-layered)
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Layout
242mm
209mm
40mm
（GEM-Pad：2mm）
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デザインの最適化
 シミュレーションによるTPCの性能評価
• フィールド電場のゆがみ
• 位置分解能、角度分解能
 セットアップ
• ガス : He(95%) + CO2(5%) (760 Torr, 300 K)
• フィールド電場 : 700 [V/cm]
• Ion mobility : 2.5×103[cm2·Torr·V-1·s-1]
 Transverse diffusion coefficient : 250mm for 1cm drift
 ドリフト速度（電子） : 2 [cm/ms]
 ドリフト速度（イオン） : 2.4×10-3 [cm/ms]
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電場のゆがみ
 高レートビーム
• ビームレートが高い場合、イオンが解消
されずに蓄積、電場をゆがめる
• フィールドケージ内の電場のゆがみを
低減するために、ビーム通過領域をワイ
ヤーで遮蔽
Field cage Field cage
 電場のゆがみの影響
• 電子を24cmドリフト。飛跡のずれを評価
• 飛跡のずれ：0.745mm以下が必要
Shield wire
• 電場はGarfieldを用いてシミュレーション
• ワイヤーの構成
- ワイヤーピッチ：2.5mm, 5.0mm, 10.0mm
- single- or double-layered
y=24cm
mesh
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電場のゆがみ（結果）
Field cage Field cage
Active area of GEM
x
Beam
• Beam rate : 107 cps
• Energy loss : 700 [keV/mm]
~ 1.75×104 ions/mm
← Sn with 50 [MeV/u]
• Beam spread :
5cm (RMS) （ドリフト方向）
1cm (RMS)
← Dispersion matching mode
beam in RIBF
ピッチ：2.5mm、double-layered のとき、飛跡のずれは、最大0.5mm
→ 角度のずれは 5mrad以下（飛長 : 10cm）
Recoil particle
位置分解能
 位置の導出
隣り合うパッドの電荷比
x
Q2  Q1 Lx

Q2  Q1 2
Q2  Q1 Ly
y

,
Q2 Q1 2
入射条件、パッドのペアによる。
 Energy loss
190 [electrons/mm]
← a with 30MeV in He/CO2(5%)
• 位置分解能 : Edge < Center
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• パッドサイズ16.45×16.45mm
のとき、中心で約150mm(s)
パッドサイズ
16.45×16.45 mm2
Edge of pad
Center
Edge of pad
10
11
Recoil particle
x
角度分解能
y
q = 20°
q = 0°
角度分解能 : < 7.45 mrad
q = -20°
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Gas Electron Multiplier (GEM)
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デザインのまとめ
• フィールドケージ
- ワイヤーピッチ : 2.5mm
- Double-layered
→ 24cmのドリフトで0.5mm以下の飛跡のずれ
• 読み出しパッド
- 形状 : 直角三角形
- 大きさ : 16.45×16.45mm2
→ 位置分解能 : < 150mm
角度分解能 : ほとんどの領域で要求を満たす
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性能評価実験 @ 筑波
• 筑波大学タンデム加速器を用い
てTPCの性能評価実験を実施
（2009 12/1-3）
• 4Heビームをフィールドケージ内
に入射。入射、測定条件（入射位置、
ガス増幅率）を変えて位置分解能、
エネルギー分解能を評価
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Setup 1
4He
Scatterer
ビームレートを調整
• Au (厚さ : 2mm)
• 散乱角 : 7°
Q
TPC
Beam
• Particle : 4He2+
• Energy : 30MeV
• Beam rate : ~ 102 cps
(before TPC)
Quadrupole
magnet
Dipole magnet
Au
D
Q
TPC
Quadrupole
magnet
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Setup 2
• ガス : He(95%) / CO2(5%) (1 atm)
• フィールド電場 : 700 [V/cm]
• 電圧（GEM） : 450 V, 420 V, 390 V
→ ガス増幅 : 102 - 103
• パッド :
16.45×16.45 mm2 (36 パッドを使用)
• Readout : FADC (SIS3301; 100MHz)
• Trigger system :
TPC (self-trigger; signal sum for 4 pads)
16.45mm beam
Typical event
Beam
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位置分解能 1
3D position derivation
• パッドの電荷比 (xy方向 : ドリフト方向の垂直面)
• ドリフト時間 (z方向 : ドリフト方向)
Y
• 位置分解能 : less than 700mm
• シミュレーションの結果（<150mm）
より悪化
• 端と中心に入射した場合の傾向は
シミュレーション結果と一致
-8.3
Z
• 位置分解能 : about 80mm
8.3
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位置分解能 2
ドリフト距離の依存性
Y
Z
Diffusion係数 (transverse):
250mm/1cm drift
2
D
L
2
2
s  s0 
N
Diffusion係数 (longitudinal):
180mm/1cm drift
• D : diffusion係数
• L : ドリフト長 [cm]
• N : 電子数（増幅前） : ~ 3000
• Y方向（ドリフト方向に垂直） : D2L(=12.5)/N =(15.8mm)2 << s2
• Z方向（ドリフト方向） : D2L(=12.5cm)/N =(11.4mm)2 < s2
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エネルギー分解能
1 row
• エネルギー損失 (1 row) : ~ 110 keV (±3.6%) → ~ 2850 electrons
• エネルギー損失 (all rows) : ~ 680 keV (±1.6%) → ~ 17000 electrons
1 row
s~9%
All rows
s~4%
エネルギー損失、増幅前の電子数のふらつきよりも大きい
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依存性（ガス増幅）
ノイズ：1.5 ch.
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考察
 エネルギー分解能
 位置分解能
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Summary
• We are developing Active-Target TPC for study of nuclear
property using unstable nuclei.
 Detect track and energy of recoiled particle with very
low energy. (~ 1MeV/u)
• Position difference in high beam rate condition : < 0.3mm
→ Can be used in high beam rate condition
• Performance test has done.
 Position resolution
- Perpendicular to drift direction : < 700mm
- Drift direction : ~ 80mm
Energy resolution: < 4 % (s)
for a with 6MeV/u
End
Recoil particle
Position resolution
x
z
 Position derivation
Position is derived by charge ratio of neighboring pads.
: 8.3mm(x)×25mm(z)
: 16.6mm(x)×25mm(z)
: 20mm(x)×20mm(z)
: 16.6mm(x)×16.6mm(z)
 Recoil particle
a (energy : < 30 MeV/u)
 Four kinds of pad size were used
• 8.3mm(x)×25mm(z)
• 16.6mm(x)×25mm(z)
• 20mm(x)×20mm(z)
• 16.6mm(x)×16.6mm(z)
→ 16.6mm×16.6mm : ~ 300mm
Edge of pad
Center
Edge of 26
pad
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Simulation for position resolution
 Dependence of energy resolution
Simulate position resolution with different energy resolution
← Only the statistical fluctuation was considered.
: 2%
 Pad size : 16.45 ×16.45 mm2
: 5%
 Energy loss : 190 [electrons/mm]
: 7.5%
← a with 30MeV in He/CO2(5%)
: 9%
 Energy resolution for 1 layer (s)
• 2 % (only statistical fluctuation)
•5%
• 7.5 %
•9%
→ In the case where energy resolution is 9 %,
maximum position resolution : ~ 700mm
→ The result of the performance test explained by the simulation.
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Typical event 2
Use degrader to stop beam
inside field cage
Beam scatters inside field cage