[論文レビュー] Beam Test Results for New Full-scale GEM Prototypes for a Future Upgrade of the CMS High-eta Muon System

D. Abbaneo, M. Abbrescia+57 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2012

Particle Detector Development and Performance参考文献 7被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、CMS高η領域でのミュオン系アップグレード用に設計された4つのフルスケールのトリプルGEMプロトタイプのビームテスト結果を提示する。本研究では、新しい高速組立技術と2 mmピッチの新規なジグザグストリップリードアウトを実装した。主な結果として、空間分解能が73 μmに達し、リードアウトチャネル数を約3倍削減し、電子回路コストを低減しながらも、高レート・高η環境下でも高い性能を維持することが示された。

ABSTRACT

The CMS GEM collaboration is considering Gas Electron Multipliers (GEMs) for upgrading the CMS forward muon system in the 1.5

研究の動機と目的

• CMSの前方ミュオン系アップグレードのため、1.5<|η|<2.4領域に適合するフルスケールGEM検出器の開発と試験を行う。
• 大面積GEMチャネルの大量生産に適した、スペーサーや接着剤を用いない高速でスケーラブルな組立技術の実装。
• 標準の直線ストリップとは異なり、コスト削減を目的とした2 mmピッチのジグザグストリップリードアウト幾何形状の評価。
• 高レートビーム条件下での高い空間分解能と検出効率を実証する。
• 高η領域における抵抗性板チャンバー（RPC）の代替としてGEMが実用可能であるかを検証する。

提案手法

• スペーサーや接着剤を一切使用しない新しい機械的引き伸ばし技術を用いて、4つのフルスケールのトリプルGEM検出器を製作。これにより、大規模生産が可能となる。
• 3/1/2/1 mmの電極ギャップ構成を採用。50 μmのカプロンフィルムに5 μmの銅被膜を施した35本の高電圧セクターを搭載。
• ビームテスト用に10×10 cm²のPCBに2 mmピッチ、0.5/1 mmのジグザグ周期を持つジグザグストリップリードアウトを実装。
• 2つの10×10 cm²のGEM検出器をジグザグリードアウトを搭載した状態で積層し、CERN SPS H4ビームラインで70:30 Ar/CO₂ガス混合気体中で動作。
• 位置分解能は、スケーラブルリードアウトシステム（RD51 APV25ハイブリッド）からのパルス高さ加重ストリップクラスタを用いたバーセンターメソッドで測定。
• 25 nsのビームバッチクロスインターバル測定を用いて、検出効率とタイミング性能を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スペーサーなしの高速組立技術は、CMSアップグレードに向けた大面積GEM検出器の信頼性とスケーラブルな生産を可能にするか？
• RQ2 2 mmピッチのジグザグストリップリードアウトは、高η領域における高精度トラッキングに十分な空間分解能を維持できるか？
• RQ3 ジグザグリードアウトは、標準の直線ストリップと比較して、必要な電子チャネル数を3倍に削減できるか？
• RQ4 高レートビーム条件下で、フルスケールGEMプロトタイプが達成可能な空間分解能と検出効率は何か？
• RQ5 本新設計のGEMは、従来のプロトタイプと比較して、レート対応能力および放射線耐性の面で優れているか？

主な発見

• 新規の高速組立技術により、スペーサーや接着剤を一切使用せず、フルスケールGEM検出器を正常に製作し、CMSアップグレードに向けたスケーラブルな生産が可能となった。
• ビームテストにおいて、ゼロ磁場条件下で98%の検出効率をプラトーで達成した。
• 直接的なタイミング測定により、25 nsのバッチクロスインターバルあたり約95%の効率が確認され、高レート対応能力が裏付けられた。
• 2 mmピッチのジグザグストリップリードアウトは、2つの積層検出器間の位置差のRMSとして73 μmの空間分解能を達成した。
• 2 mmピッチという条件下でも73 μmの分解能が達成されたことから、斜めに配置されたジグザグストリップ間での電荷共有が横方向分解能を向上させていることが示唆された。
• ジグザグリードアウト設計により、必要なリードアウトチャネル数を約3倍削減でき、電子回路コストを顕著に低減できる可能性がある。