[論文レビュー] Space-Charge Effects in an Ungated GEM-based TPC

F. V. Böhmer, M. Ball+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2012

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、連続的に稼働するゲートレスGEMベースTDCにおいて、イオン誘起ドリフト歪みを補正するためのレーザー補正システムを提案する。これにより、死時間のない高レートトラッキングが可能になる。PANDA実験の環境を想定したモンテカルロシミュレーションの結果、空間電荷密度が65 fC/cm³に達するまで、約10 mmのドリフト歪みが生じることが示され、スプライン補間を用いたレーザーグリッド測定により補正可能である。これにより、運動量分解能は1.74%まで回復（理想状態の1.59%に近い）。

ABSTRACT

A fundamental limit to the application of Time Projection Chambers (TPCs) in high-rate experiments is the accumulation of slowly drifting ions in the active gas volume, which compromises the homogeneity of the drift field and hence the detector resolution. Conventionally, this problem is overcome by the use of ion-gating structures. This method, however, introduces large dead times and restricts trigger rates to a few hundred per second. The ion gate can be eliminated from the setup by the use of Gas Electron Multiplier (GEM) foils for gas amplification, which intrinsically suppress the backflow of ions. This makes the continuous operation of a TPC at high rates feasible. In this work, Monte Carlo simulations of the buildup of ion space charge in a GEM-based TPC and the correction of the resulting drift distortions are discussed, based on realistic numbers for the ion backflow in a triple-GEM amplification stack. A TPC in the future PANDA experiment at FAIR, in which antiproton-proton interaction rates up to 2 x 10^7 per second will be reached, serves as an example for the experimental environment. The simulations show that space charge densities up to 65 fC per cubic cm are reached, leading to electron drift distortions of up to 10 mm. The application of a laser calibration system to correct these distortions is investigated. Based on full simulations of the detector physics and response, we show that it is possible to correct for the drift distortions and to maintain the good momentum resolution of the GEM-TPC.

研究の動機と目的

• 高レートTDCにおけるイオン空間電荷の蓄積という根本的制限要因が、ドリフト場を歪め、トラック分解能を低下させることに対処する。
• 高インテンシティ実験における従来のイオンゲーティング技術に起因する死時間およびレート制限を克服する。
• FAIRの将来のPANDA実験に求められる、2×10⁷ s⁻¹の相互作用レートまで対応可能な、GEMベースTDCの連続稼働を可能にする。
• 蓄積されたイオン空間電荷によって生じるドリフト歪みをリアルタイムで補正する手法を開発し、高運動量分解能を確保する。
• レーザー補正システムを用いて電子ドリフト場の空間歪みをマップおよび補正可能であることを実証する。

提案手法

• GEM増幅における現実的なイオンバックフローのパrameterを用いて、三重GEM TPCにおけるイオン空間電荷の蓄積をシミュレートする。
• 計算された空間電荷密度を用いて、ポアソン方程式の有限要素法による解法により電場歪みをモデル化する。
• 4次ルンゲ＝クッタ法を用いて、電場および磁場の両方の影響下での電子ドリフト経路をラングジュアン方程式と連携してシミュレートする。
• 既知の位置に一様なグリッド状の電離トラックを生成するレーザー補正システムを実装し、ドリフト歪みを測定する。
• レーザーグリッドからの測定残留誤差に2次元スプラインフィットを適用し、100 µm未満の精度で歪みマップを再構築する。
• 歪みマップを用いて、測定されたヒット位置を補正し、カルマンフィルターベースのフィッティングフレームワークにより運動量を再構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 連続的に稼働するゲートレスGEM-TPCが高相互作用レート下に置かれると、イオン空間電荷が電子ドリフト場にどの程度歪みを引き起こすか？
• RQ2 最適化されたグリッド幾何形状を有するレーザー補正システムは、蓄積された空間電荷によって生じる径方向および方位角方向のドリフト歪みを正確にマップおよび補正できるか？
• RQ3 高レートTDC環境下で、空間電荷に起因する歪みを補正した後、どの程度の運動量分解能が達成可能か？
• RQ4 動的空間電荷フラクチュエーションをリアルタイムで追跡するためには、歪み補正をどの程度の頻度でする必要があるか？
• RQ5 同様の条件下で、STAR や ALICE に設置された他の対称的TPCに対しても、この補正手法は一般化可能か？

主な発見

• PANDA実験の条件下で、GEMベースTDCのドリフト領域に最大65 fC/cm³のイオン空間電荷密度が蓄積され、顕著な電場歪みが生じる。
• ドリフト経路の歪みは最大で10 mmに達し、主にトラックの曲率および運動量再構築に影響を与える。
• 最適化されたグリッド幾何形状を有するレーザー補正システムにより、100 µm未満の精度で歪みマップが作成可能であり、オンライン補正に十分である。
• レーザー由来の歪みマップを用いた補正後、運動量分解能はσp/p = 1.74%まで向上し、理想状態の1.59%に近づく。
• 高レート条件下でも高い再構築忠実度を維持でき、イオンゲーティングを用いずとも連続稼働が可能である。
• 再帰的空間電荷計算および補正パイプラインは、STAR や ALICE に設置された他の対称的TPCに対しても、同様の高レート条件下で適用可能である。