[論文レビュー] Four-gap glass RPC as a candidate to a large area thin time-of-flight detector

V. V. Ammosov, В. А. Гапиенко+5 more|ArXiv.org|Apr 17, 2002

Particle Detector Development and Performance被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、0.3 mmのガスギャップを有する4ギャップ構造のガラス製抵抗性プラットフォーム・チェンバー（RPC）を、素粒子物理学における薄型で高時間分解能を有する時間飛行（TOF）検出器として提案している。7 GeV/cのパイオンビームを用いたテストでは、90 cmの長さにわたるストリップ読み出しを実施し、時間分解能が約100 psに達した。全検出器厚さは約12 mmであり、HARP実験のような大面積で薄型のTOFシステムに適している。

ABSTRACT

A four-gap glass RPC with 0.3mm gap size was tested with hadron beam as a time-of-flight detector having a time resolution of ~ 100ps. A thickness of the detector together with front-end electronics is ~ 12mm. Results on time resolution dependently on a pad size are presented. This paper contains first result on the timing RPC (with ~ 100ps resolution) having a strip read-out. Study has been done within the HARP experiment (CERN-PS214) R&D work. A obtaned data can be useful if a design of a large area thin timing detector has to be done.

研究の動機と目的

• HARP実験用に、厚さ14 mm未満の薄型で大面積の時間飛行（TOF）検出器を開発すること。
• 0.3 mmのギャップを有する4ギャップ構造のガラスRPCを用いて、高時間分解能（約100 ps）を達成すること。
• パッドサイズに依存する時間分解能の依存関係を調査し、スケーラビリティを向上させるストリップ読み出しを検討すること。
• 信号の和集合を用いた電子回路と電極形状の最適化により、読み出しチャネル数を最小限に抑えること。
• 高抵抗率ガラスRPCを用いた薄型で高性能なTOFシステムの実現可能性を実証すること。

提案手法

• 0.6 mmおよび1 mmの厚さのガラス板を用い、フィishingラインで作られた0.3 mmのスペーサーを用いて4ギャップ構造のガラスRPCを製作した。
• アバランチモードでの安定動作を実現するため、テトラフルオロエチレン系ガス混合ガス（C2H2F4/C4H10/SF6、90/5/5）を用いた。
• 1 GHz帯域幅の4入力プリアンプと50 psのビン幅を持つTDCを用いて時間測定を実施し、チャネル数を削減するため信号の和集合処理を実施した。
• パッド読み出しとストリップ読み出しの両方をテストし、ストリップ信号は両端から取得し、時間平均化により分解能を向上させた。
• CERNのT10テストエリアで7 GeV/cのパイオンビームを用い、シンチレーションホドスコープを用いてビームトリガおよび時間基準（30 ps精度）を提供した。
• ADCデータを用いて時間-電荷スリービング補正を実施し、信号伝搬の振幅依存性を補正することで、時間分解能を向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.3 mmギャップを有する4ギャップ構造のガラスRPCの時間分解能は、パッドサイズに依存するか？また、信号電極面積にどのように依存するか？
• RQ2 長距離（最大90 cm）にわたるストリップ読み出しは、薄型RPCシステムで120 ps未満の時間分解能を達成できるか？
• RQ3 粒子線量が高抵抗率ガラスRPCの時間分解能および検出効率に与える影響は何か？
• RQ4 信号の和集合電子回路は、時間分解能を劣化させることなく読み出しチャネル数を削減できるか？
• RQ5 フロントエンド電子回路の固有の時間分解能は何か？また、それが全体のシステム性能にどのように寄与するか？

主な発見

• 8入力の和集合アンプを用いた場合、4ギャップ構造のガラスRPCの時間分解能はパッド面積に線形に依存する：σt = 0.71 + 0.13×S ps（Sはcm²単位）。
• 両端からの信号取得と時間平均化を実施した90 cmのストリップ読み出しでは、2.5 cmの幅で110–120 psの時間分解能を達成した。
• 全テストされたストリップ位置において、3σ検出効率は94%以上を維持し、ストリップ長手方向に著しい劣化は認めなかった。
• フロントエンド電子回路の固有の時間分解能は約70 psで測定され、信号振幅の和集合精度は5–7%であった。
• 粒子線量が増加するにつれ時間分解能が劣化し、高線量下ではパッドが小さい場合の97%から、パッドが大きい場合の94%に検出効率が低下した。
• 全検出器厚さ（チャネルおよびフロントエンド電子回路を含む）は約12 mmに達し、HARP実験が求める薄型TOF検出器の要件を満たした。