[論文レビュー] Twin GEM-TPC Prototype (HGB4) Beam Test at GSI - a Development for the Super-FRS at FAIR

F. García, R. Turpeinen+31 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Particle Detector Development and Performance被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、GSIにおけるHGB4二重GEM-TPCプロトタイプのビームテストを提示し、反対方向の電界を有する二重GEM構成により、最大1 MHzの高率条件下でもほぼ100％のトラッキング効率を達成することを示した。300 MeV/uのCa、Bi、Uビームを用いたテストにより、150–320 V/cmの電界範囲で安定した性能が確認され、制御和の標準偏差に最小限の変動が見られた。これは、性能劣化を伴わずに低電界での運用が可能である可能性を示している。

ABSTRACT

The GEM-TPC detector will be part of the standard Super-FRS detection system, as tracker detectors at several focal stations along the separator and its three branches.

研究の動機と目的

• FAIRのSuper-FRSで、高イベントレート条件下でもほぼ100％のトラッキング効率を達成可能なGEM-TPC設計を開発すること。
• 従来のGEM-TPCプロトタイプでは満たされなかった高レートトラッキング効率の要件を満たすために、反対方向の電界を有する二重構成を導入すること。
• GSIにおける重イオンビームを用いた実際のビーム条件で、二重GEM-TPCプロトタイプ（HGB4）の性能を検証すること。
• 電界強度の関数として制御和（c.s.）を測定し、異なる電界設定における時間分解能と安定性を評価すること。

提案手法

• HGB4プロトタイプは、水平中央面を基準に反転配置された二つのGEM-TPCを組み合わせた二重構成で構成され、フィールドケージ内で反対方向の電界を生成する。
• GSIのSIS18加速器から得た300 MeV/uのCa、Bi、Uビームを用いてビームテストを実施した。
• ドリフト時間は、3枚目のGEMフィルム下部の信号から、マルチヒットTDC（Caen V1290）を用いて測定した。
• 制御和（c.s.）は、c.s. = Tup + Tdown – 2Trefの式で計算され、ここでTupおよびTdownは二つのフィールドケージからのドリフト時間、Trefはプラスチックシンチレーターからの基準時間である。
• 時間分解能と安定性の評価を目的として、150 V/cmから320 V/cmの電界範囲で測定を実施した。
• 時間性能と電界依存性の評価を目的として、制御和の分布およびその標準偏差を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重GEM-TPC構成は、シミュレーションで予測されたように、1 MHzのイベントレートまでほぼ100％のトラッキング効率を達成できるか？
• RQ2 HGB4プロトタイプにおいて、150 V/cmから320 V/cmの電界強度の範囲で制御和（c.s.）分布はどのように変化するか？
• RQ3 c.s.分布の標準偏差が示す時間分解能は、低電界領域で著しく劣化するか？
• RQ4 HGB4プロトタイプは、複数のビーム条件および電界設定において安定的かつ再現可能か？
• RQ5 二重GEM-TPC設計は、300 MeV/uの重イオンビーム照射下でも一貫した性能を維持できるか？

主な発見

• 制御和（c.s.）分布の標準偏差は、150 V/cmから320 V/cmの電界範囲で最小限の変動を示し、安定した時間性能が得られた。
• c.s.分布の標準偏差は相対的に一定のまま維持されたことから、HGB4プロトタイプが低電界でも著しい性能劣化を伴わずに効果的に動作可能であることが示された。
• Ca、Bi、Uイオンを用いたビームテストにより、高レート条件下でも二重GEM-TPC設計の機能性と耐久性が確認された。
• 異なるビーム種において測定された制御和の値は一貫しており、検出器の信頼性と再現性が裏付けられた。
• 結果から、FAIRのSuper-FRSでほぼ100％のトラッキング効率を達成するための二重GEM-TPC構成の実現可能性が支持された。
• HGB4プロトタイプは、試験範囲の全電界強度で安定した性能を示し、将来的なSuper-FRSへの実装に向けた設計の妥当性が検証された。