[論文レビュー] A Time Projection Chamber with GEM-Based Readout

The LCTPC Collaboration, D. Attié+68 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2016

Particle Detector Development and Performance参考文献 16被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、GEMベースの読み出しシステムを備えたタイムプロジェクションチェンバー（TPC）のプロトタイプを提示し、安定した動作と約70 μmの内在的点分解能を示した。ガス純度を厳密に制御した状態で、3.5 Tの磁場下、2.35 mのドリフト長において100 μm未塔の分解能を達成した。これは国際線形衝突装置（ILC）のILD検出器の要件を満たすものである。

ABSTRACT

For the International Large Detector concept at the planned International Linear Collider, the use of time projection chambers (TPC) with micro-pattern gas detector readout as the main tracking detector is investigated. In this paper, results from a prototype TPC, placed in a 1 T solenoidal field and read out with three independent GEM-based readout modules, are reported. The TPC was exposed to a 6 GeV electron beam at the DESY II synchrotron. The efficiency for reconstructing hits, the measurement of the drift velocity, the space point resolution and the control of field inhomogeneities are presented.

研究の動機と目的

• 国際線形衝突装置（ILC）に適した大規模TPCに向けたモジュラーでGEMベースの読み出しシステムの開発を目的とする。
• 高磁場および長いドリフト距離下でのGEMベースTPCプロトタイプの性能を評価することを目的とする。
• マルチモジュールGEM読み出しシステムにおける磁場歪みおよびアライメント効果を定量化し補正することを目的とする。
• 現実的な条件下で全ドリフト長にわたり、内在的点分解能が100 μm未塔を維持できることを実証することを目的とする。
• 将来の高エネルギー物理学実験における高精度TPCにGEMベース増幅を用いる可能性を検証することを目的とする。

提案手法

• 10 cmおよび40 cmのドリフト長を持つTPCプロトタイプにおいて、三重GEMスタックを電子増幅段階として採用した。
• 測定時には1 Tの磁場を用い、ILC適合性を考慮して3.5 Tへの外挿を実施した。
• 横方向拡散および方位角方向依存性を組み込んだ分解能モデルを適用した：σ_rφ(z,α) ≈ √[σ_rφ²(z) + (L²/(12 N_eff)) tan²α]。
• Magboltzシミュレーションを用いて、3.5 Tにおける横方向拡散定数をD_t = 0.030 mm/√cmと推定した。
• ガス付着率を0.495 m⁻¹で測定し、これを用いて全ILD TPC長への分解能性能の外挿を実施した。
• モジュール端縁部における磁場歪みおよび隣接読み出しモジュール間のアライメント誤差を補正した。

(a)

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GEMベースの読み出しシステムは、3.5 Tの磁場下、2.35 mのドリフト長において、必要な点分解能<100 μmを達成できるか？
• RQ2 GEMベースTPCの内在的点分解能は、ドリフト距離および磁場強度にどのように依存するか？
• RQ3 磁場歪みおよびモジュールの不整合が空間分解能に及ぼす影響はどの程度で、補正可能か？
• RQ4 ガス不純物（付着率）は、長ドリフトTPCにおける達成可能な空間分解能にどのような影響を与えるか？
• RQ5 モジュラーGEM読み出し設計は、大規模TPC用途に十分な性能と安定性を維持できるか？

主な発見

• GEMベースTPCプロトタイプの内在的点分解能は約70 μmであり、電子拡散に一致するドリフト距離依存性の増加を示した。
• Magboltzシミュレーションから導出された3.5 Tにおける横方向拡散定数は0.030 mm/√cmであった。
• 1 Tの測定において、分解能は方位角角αのtan|α|に依存することが確認され、理論モデル（式2）の妥当性が裏付けられた。
• 2.35 mのドリフト長および3.5 Tの磁場への外挿において、ガス付着率を0.495 m⁻¹に維持すれば分解能が100 μm未塔に保たれることを示した。
• 付着率をゼロと仮定した低分解能曲線は、分解能が主にガス不純物に制限されることを確認した。
• モジュール端縁部の磁場歪みおよびアライメント効果を定量化し、補正を施したことで、安定的かつ正確な動作が可能となった。

(b)