修士学位論文ATLAS 実験に用いる

ミューオントリガーチェンバー TGCの

検査設備の構築およびガスシステムの開発

物理学専攻奥村和恵

2003 年 2 月 20 日

contents

1. Introduction

2. ガスチェンバーとしての TGC

3. Cosmic Ray Test のガスシステム　　・ TGC

　　・ Drift tube

4. 動作結果5. まとめ

LHC 加速器

• スイス CERN で 2007 年実験開始予定• 陽子・陽子衝突型加速器、周長 27km

• 重心系エネルギー１４ TeV

• Luminosity:1034cm-2s-1

• 目的： Higgs 粒子の探索 周長 27km

ATLAS 測定器

• LHC に設置される測定器• Size: 直径 22m 、長さ 44m 、総重量 7000t

• 高エネルギー粒子汎用測定器• バックグラウンドが大きい　

・放射線耐性が必要・トリガーが重要・ μ はきれいなシグナルが期待される

•　　構成　　・内部飛跡検出器　　・カロリーメータ　　・ミューオンスペクトロメータ　　　 ( トリガー用、　　　　　　ミューオン飛跡精密測定用）

ミューオントリガーチェンバー

　 TGC 、 RPC→ 日本では TGC を製作

要請• 大面積（エンドキャップ；約 6600m2 ）を 覆うことができる• 2 次元読み出しである• 物質量が少ない　　（多重散乱を防ぐ）• 衝突時間判定が可能　　　 ( バンチ間隔： 25ns)• High Rate 耐性がある• コスト　　　　→ガスチェンバー

ガスチェンバーの動作原理

Anode wire

cathode plane

イオン化

増幅過程

→Drift → 電子雪崩

ガス増幅

ゲイン（増幅率）　　　　　　 2 次電子　　　　　　 1 次電子　 Drift 時間を短くする　　　 Drift 距離を短くする　　　 Drift 速度の速いガスを選ぶ 空間電荷効果　　　 不感時間をなくすには　　　陽イオンがかそーどに　　　　　速く到達するようにする　　　ゲインの小さいガスを選ぶ　　　　　　　　

→

→

TGC(Thin Gap Chamber)

＜ TGC の構造＞・ワイヤー間隔： 1.8mm

　→ドリフト時間を短くする　　　　時間分解能、バンチ識別 ・アノード・カソード間隔： 1.4mm

　 →陽イオンが速くカソードへ到達　　　　　高レート耐性： 1kHz/cm2

・カーボン面抵抗： 1MΩ/□

・ 2 次元読み出し

ギャップが小さい　　　 1 次電子が少ない→ゲインの大きなガスを用いる　　　ギャップ間の変化→制限比例領域　　　光子による放電→強力なクエンチャー

電子雪崩

γ

充填ガス： CO2+n-Pentane(55:45)　　　　ゲイン： 105~106

神戸での量産と検査　 KEK で 1056 台の TGC を製作　　　　　　　　↓

　製作されたＴＧＣ全ての性能検査　　・リークテスト：気密性　　・ HV テスト： Leak Current ・ Cosmic Ray Test ：　　　　　　 TGC 全面の efficiency

・ガスチェンバー（ TGC,Drift tube) の動作にはガスシステムが不可欠・長期間安定に運転するシステムが必要

TGC ガスシステム ガスシステムに対する要請　 ・ CO2+n-Pentane(55:45)

　 ・低圧で分配　 ・圧力モニター及び安全系　 ・長期間安定したシステム　　　　　　流量モニター

システムを組む時の留意点

　 ・ n-Pentane ：常温で液体

　　　　　　　　　　有機化合物を侵食

　　　　　　　・液化対策

　　　　　　　・配管材

Mixer安全系

ガス分配

ガスの混合1atmでCO2:n-Pentane=55:45　・恒温槽でガスを混合　　　　→CO2、n-Pentaneの流量コントロール　・液体n-Pentaneは恒温槽で気体にする（ヒータ :40℃）　・SUS配管　・長期間安定したガスを供給　　　→流量モニター　　

Mass Flow controler(for liquid)

CO2Mass Flow controler

Mass Flow Meter

n-Pentane(liquid)

恒温槽

混合ガスの分配 8 系統 低圧分配 流量調節　　　ニードルバルブ：圧力差　　　

　　　→ Mass Flow monitor + バブラー

Mass Flow Meter の値は記録　　　　 (1 系統に 70~100mℓ/min 程度 )

Mass Flow Meter

TGC

圧力センサー

manifold

バブラー

8系統

TGC ガスシステムの安全系TGC:0.6kPa over で接着剤が剥離　　→ 0.3kPa over で圧力系 safety が作動

TGC

圧力センサー

開閉開

大 気 開 放 大 気 開 放

リレー Pa Over０．３ｋ

液化対策　 CO2+n-Pentane は 14℃で液化 　・ Cosmic Ray Test スペース：エアコンで架台周辺の温度一定（約 2

8℃）　 　・コントロールパネル：周囲を発泡ウレタンで囲み、放射冷却を防ぐ　 　・排気口付近：銅管にリボンヒーターを巻き、断熱材で覆う (30~3

5℃）　→これらはすべて温度モニターされている

配管材　 n-Pentane は有機化合物を侵食　　・基本的に SUS 配管　　・配管の難しいところは PFA チューブ使用　　　＊ PFA ：フッ素樹脂　　　 　　　　 耐薬品性、耐熱性、耐食性に優れている

　 n-Pentane の性質と配管

Drift tube の構造宇宙線の飛跡を検出・直径： 50mm 、厚さ： 2mm のアルミパイプ・長さ　 X方向： 2m 、 Y方向： 2.5m

　　 (1 本あたり　 X方向： 3.7ℓ 、 Y方向： 4.6ℓ ）

・アノードワイヤー：　　　直径 50μm金メッキタングステンワイ

ヤー

　・出力波高が一次電子の数によらない　　→動作領域：制限比例領域　・ Drift velocity （∝ E/P) ：一定　　　　圧力モニター必要なし　　充填ガス： Ar+ethane(50:50)

　　　　　　　　　　　　 Drift velocity:5cm/μs

　　　　　　　　　　　　ゲイン： 105~106

　　　　　　　　　　　　印加電圧： 3.5kV

Anode wire

Drift tube ガスシステム Drift tube計 428 本 (1.7kℓ ）を何系統かに分けて直列につなぐ　　　　　　→ 24 系統、１系統あたり Drift tube 15~20 本（１系統 70ℓ ）

　 ガスリーク→大気圧＋ α かける 流量コントロール → 2cc/min に絞って流す 長期間安定したシステム

Drift tube の動作結果検出効率

1.0

3.5 3.63.43.33.2 3.70

HV[kV]

検出

効率

Tracking を行うのに充分な検出効率を持つ

・　 99% でプラト→印可電圧３．５ｋV

・　 位置依存性はない

空間分解能 → 全体で σ＝約 350μm

Tracking に必要な位置分解（ <1mm)

を満たしている。

　ｄ

　 有効な hit pattern を持つイベント

　　　　　　 全イベント数

　　→ 1層で 90% 、 4層全体で 70~75%

・ Tracking に有効なイベントの割合　 　Tracking efficiency(%)=

×100

Cosmic Ray Test 宇宙線を用いて TGC 全面の検出効率を調べる

Scintillation C ounter

~2500mm

~2600mm

~1500mm

Scintillation C ounter

D rift T ube

T GC

m uon

＜セットアップ＞

Scintillation Counter: 上下各 22本

Drift Tube:

上下ＸＹ各3層、計428

有感領域： 1500mm×1940mm

2週間で８ units 同時に検査

→ 長期間安定に運転するシステムが必要

TGCの hit

　　　全 track 数

　　→不感領域を除いて 99%以上、

　　　　全体で 95%以上を合格とする

×100efficiency(%)=

＜検査方法＞ Scintillation　 Counter:Trigger

上部全面の or 　 下部全面の or Drift tube:Tracking drift 時間→ drift 距離　 上下 XY各 3層→ 3 次元 track

　　ｃ oincidence

Cosmic Ray Test の検査結果

efficiency→3.0ｋ V で印加3.0kV での efficiency map

→efficiency が確認できる

まとめ以下の要請を満たすようなガスシステムが構築できた

TGC　　　　 　・圧力コントロール　　　　　 ・リーク対策　　　　　 ・液化対策　　　　 ・検出効率の検査を行うのに充分な性能を持っている

Drift tube　　　・流量コントロール　　　・ガスリーク　　 ・ Trackingに充分な性能を持っている検査期間中の動作

　　　　・ゲインの低下による efficiency の低下は見られなかった。

　　　　・検査中に安全系が動作したことはない。

　　　　　→システムの安定動作の実現

充分な性能を持ち、長期間安全に動作可能なガスシステムが構築できた。

LHC の物理 ( 予備）• メインテーマ： Higgs 粒子の探索　 Higgs 粒子：標準理論で予言された粒子の中で

　　　　　　　唯一存在を確認されてない粒子

g

gH

t,b

Z

Z

μｌ ( )＋ ＋

ｐ

ｐ

μｌ ( )＋ ＋

μｌ ( )－ －

μｌ ( )－ －

• ALAS 測定器では 80GeV～ 1TeV 探索可能

Muon Toroidal magnet

The interaction of various particles with the different components of a detector:

発見ポテンシャル

増幅モード

TGC の配管（ Mixer 部分 )

TGC の配管図（全体）