[論文レビュー] Development of Large Area GEM Chambers

J. S. Yu, Edwin Baldelomar+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2011

Particle Detector Development and Performance参考文献 8被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、国際線形衝突型加速器（ILC）のデジタルハドロンカルオリメータに用いられる大面積ガス電子増倍器（GEM）効果を有する検出器の開発と特性評価について報告する。宇宙線、106Ruおよび55Fe放射性核種を用いて、GEM電極に395 Vの高電圧を印加した場合、増幅率が6,500を超えたことを確認した。また、最小電離粒子に対するランドウエネルギー分布の安定した適合が得られ、放射線および圧力の影響について評価し、100 cm × 100 cmのGEM検出器の実現に向けた道筋を示した。

ABSTRACT

The High Energy Physics group of the University of Texas at Arlington Physics Department has been developing Gas Electron Multiplier (GEM) detectors for use as the sensitive gap detector in digital hadron calorimeters (DHCAL) for the future International Linear Collider. In this study, two kinds of prototype GEM detectors have been tested. One has 30x30 cm2 active area double GEM structure with a 3 mm drift gap, a 1 mm transfer gap and a 1 mm induction gap. The other one has two 2x2 cm2 GEM foils in the amplifier stage with a 5 mm drift gap, a 2 mm transfer gap and a 1 mm induction gap. We present characteristics of these detectors obtained using high-energy charged particles, cosmic ray muons and 106Ru and 55Fe radioactive sources. From the 55Fe tests, we observed two well-separated X-ray emission peaks and measured the chamber gain to be over 6500 with a high voltage of 395 V across each GEM electrode. Both the spectra from cosmic rays and the 106Ru fit well to Landau distributions as expected from minimum ionizing particles. We also present the chamber performance after high dosage exposure to radiation as well as the pressure dependence of the gain and correction factors. Finally, we discuss the quality test results of the first set of large scale GEM foils and discuss progress and future plans for constructing large scale (100cmx100cm) GEM detectors.

研究の動機と目的

• 国際線形衝突型加速器におけるデジタルハドロンカルオリメータへの応用を目的とした大面積GEM検出器の開発。
• 高エネルギー荷電粒子、宇宙線ミューオン、および放射性核種を用いたプロトタイプGEMチャンバの性能評価。
• 長期間の運用安定性を確保するため、放射線損傷の影響と圧力依存性による増幅率への影響を評価。
• 100 cm × 100 cm検出器の構築に向けた道筋を確立するため、初代の大規模GEMフィルムの品質と性能特性を評価。

提案手法

• 2つのプロトタイプGEMチャンバを製作した。1つは30×30 cm²の有効面積と二重GEM構造を有し、もう1つは増幅段階に2×2 cm²のGEMフィルムを2枚使用した。
• 大規模チャンバでは、ドリフトギャップ3 mm、トランスファーギャップ1 mm、インダクションギャップ1 mmを採用した。小規模チャンバでは、ドリフトギャップ5 mmおよびトランスファーギャップ2 mmを採用した。
• X線エネルギー分解能と増幅率の測定のために、106Ruおよび55Fe放射性核種を用いてチャンバの性能を評価した。
• 最小電離粒子に対するランドウ分布の適合を検証するため、宇宙線ミューオンを用いた測定を実施した。
• 長期間の高線量条件下での増幅率安定性を評価するため、放射線露出試験を実施した。
• 大気圧が増幅率に与える影響を測定し、環境変動に起因する性能変動を補正するための補正係数を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 55Fe X線源を用いた場合、大面積GEMチャンバが達成可能な増幅率とエネルギー分解能はどの程度か？
• RQ2 宇宙線ミューオンからのエネルギースペクトルは、予想されるランドウ分布とどの程度一致するか？
• RQ3 高線量放射線被曝がGEMチャンバの増幅率および安定性に与える影響は何か？
• RQ4 周囲の大気圧はGEM検出器の増幅率にどのように影響を及ぼすか。また、その補正にはどのような要因が必要か？
• RQ5 100×100 cm²検出器用に開発された初代大規模GEMフィルムの品質と性能特性は何か？

主な発見

• 55Fe源を用いた測定において、GEM電極に395 Vの高電圧を印加した場合、チャンバの増幅率が6,500を超えた。
• 55Feスペクトルにおいて、2つの明確に分離されたX線線スペクトルピークが観測され、良好なエネルギー分解能が確認された。
• 宇宙線ミューオンからのエネルギースペクトルがランドウ分布に良好に適合したため、最小電離粒子への適切な応答が得られた。
• 高線量放射線被曝後も、チャンバの性能が安定しており、放射線耐性が確認された。
• 増幅率に圧力依存性が顕著に認められ、環境変動に起因する性能変動を補正するための補正係数が導出された。
• 初代の大規模GEMフィルムは品質試験に合格し、100 cm × 100 cmのGEM検出器の今後の構築に向けた基盤が整った。