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世昭劳
5 years ago
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1 CEPC-TPC 径迹探测器现状及计划 Huirong

2 Contents 物理需求 ILD-TPC 研究现状 ILC 与 CEPC TPC 相同与不同 CEPC-TPC 现状 CEPC-TPC 主要预研方向 - 2 -

3 物理实验对径迹探测的需求物理研究背景希格斯粒子被发现后, 高能区物理欲对其实现精确测量, 得到其绝对衰变分支比和耦合常数, 并可寻找其衰变中可能出现的暗物质和奇异新粒子等新的物理现象以上物理目标对测量提出了更高的需求, 特别是径迹和动量测量位置分辨率动量分辨率直线对撞机 : ILC 环形对撞机 :CEPC FCC-ee CLIC 常用的径迹探测器 TPC 时间投影室 Si 径迹探测器漂移室国际直线对撞机上 ILD 探测器结构组成及径迹探测器 - 3 -

4 时间投影室 TPC 工作原理被测带电粒子在穿过工作气体时产生的电子离子对, 利用电子漂移实现三维径迹测量和重建主要结构气体室本体场笼 (Field Cage) TPC 探测器结构示意图位置灵敏读出探测器读出电子学优点近 4π 的覆盖角度, 灵敏体积大同时测量动量与 de/dx, 实现粒子鉴别具有多径迹分辨能力工作介质为气体, 物质量小 TPC 粒子鉴别 - 4 -

5 国际 TPC 研究现状 TPC 探测器在已有实验装置的应用现有的 TPC 探测器大部分采用多丝室作为读出, 具有各自的激光校正系统, 但分辨率还不能满足最新的物理需求 TPC 发展趋势采用微结构气体探测器 GEM 或者 Micromegas, 可以实现更高的位置分辨在高精度位置分辨的 TPC 系统中, 采用激光校正方法对造成径迹畸变的各种影响因素进行修正 - 5 -

6 ILD-TPC Collaboration 至 2015 年 4 月 :30 个研究机构在 MoA 上签字,18 个研究机构作为观察团组织去年中国武汉大学签署 MoA 2015 年日本横滨大学考虑加入, 中国高能物理研究所考虑加入不是所有的参与机构都处于活跃状态, 大部分由于缺少经费的原因中国加入的现在总共两所大学 : 清华大学和武汉大学更新至 @ALCW2015 KEK 参与 ILD-TPC 的国际组织分布 - 6 -

ILD-TPC Hardware 束流测试去年下半年关闭, 开始实验场地维护工作 PCMAG 测试场地的地面进行重新铺整, 进行了防静电地面铺设, 真空吸尘器进行了地面清理, 非常整洁干净进行了几个方面的改进增加了两相二氧化碳冷却装置触发装置进行升级, 更容易实现位置标定固定测试 TPC 的支架升级, 移动精度更高, 并且更加稳定重新启动后进行了两个 LCTPC

7 ILD-TPC Hardware 束流测试去年下半年关闭, 开始实验场地维护工作 PCMAG 测试场地的地面进行重新铺整, 进行了防静电地面铺设, 真空吸尘器进行了地面清理, 非常整洁干净进行了几个方面的改进增加了两相二氧化碳冷却装置触发装置进行升级, 更容易实现位置标定固定测试 TPC 的支架升级, 移动精度更高, 并且更加稳定重新启动后进行了两个 LCTPC 模块研究组的性能测量测试过程中气体安装等出现了小的问题均得到了很快的解决改造中的 PCMAG 磁铁测试场所 Micromegas 测试组 ( ~14) 测量了两个新的阻性模块, 采用 Black Diamond 阻性材料数据采集准备分析发表 InGrid 测试组 ( ~4.7) 大面积覆盖, 共 160 个 ingrid 模块 - 7 -

8 阻性 Micromegas 测试组安装 7 个阻性 Mciromegas 探测器模块采用两相 CO 2 的冷却系统其中两个采用最新的 BD 阻性材料前端 AFTER 读出芯片 - 8 -

9 阻性 Micromegas 测试组束流测试结果 - 9 -

10 InGrid 测试组 3 个模块, 总共读出路数 105,000,000 通道 TOT 前端处理

11 InGrid 测试组束流测试结果

个高压连接头 2015 年之后开始通用性模块设计和研制日本 KEK 组的模块整个尺寸 220mm 170mm 1.2mm 5.

12 ILD-TPC Modules 德国 DESY 组的模块整个尺寸 220mm 170mm 1.26mm 5.85mm/Pad, 交错排列 28 排, 每个模块 4829 个 Pads 小边框, 每边 ~1mm 边框顶部有 20 个高压连接头 2015 年之后开始通用性模块设计和研制日本 KEK 组的模块整个尺寸 220mm 170mm 1.2mm 5.4mm/Pad, 交错排列 28 行 ( 每行从 172Pads~192Pads) 每个模块的共 5152Pads 上下边框均有 10mm 左右基本无边框

13 ILC 与 CEPC TPC 相同的物理需求基本类似的物理目标与 ILD-TPC 相同的物理需求

14 ILC 与 CEPC 对撞模式区别 ILC 束流结构间隔为 200ms 每个 Train 内有 1321 个 Bunches 每个 Bunches 的间隔为 554ns 0.73ms 为对撞有效时间正离子反馈门控装置必须采用正离子门控开门时间为 50us+0.73ms 开门 554ns 关门 time 0.73ms 50us One train (1321Bunches) 200ms ILC 对撞模式束流时间结构 CEPC 束流时间结构间隔为 3.63us CEPC 无法采用开关型的正离子门控装置 3.63us time CEPC 对撞模式束流时间结构

15 ILC 与 CEPC QD0 不同 L* = 2.5m

16 ILC 与 CEPC QD0 不同更小的 L* 长度, 约为 1.5m 覆盖角度变小, 需要优化考虑读出部分的边框设计, 电磁场影响等因素不同的背景噪声 ( 环形对撞与直线对撞接近或更小 ) CEPC 的对撞区初步设计示意图

17 CEPC TPC 现状 CEPC 项目现状 2013 年 Kick-off 会议在北京召开 2014 年 CEPC 加速器物理与探测器分组成立 2014 年开始 Pre-CDR 的撰写 2015 年 3 月 Pre-CDR 概念设计报告国际评审会完成 2015 年 5 月 Pre-CDR 概念设计报告英文版发布 2015 年 5 月提出开始面向 CDR 概念设计报告撰写工作 CEPC TPC 子探测器现状完成 Pre-CDR 第六章 TPC 子探测器部分成立子探测器分组 2015 年开始得到高能物理研究所创新基金支持初步预研工作开始开展

18 一种可能的结构 L* = 1.5m Chamber of TPC Magnet QD0-18 -

19 结构优化研究 ILD 参考 ILD-TPC 探测器基于 ILD-TPC 的主要参量的初步模拟研究 Meet the requirements of CEPC Inner radius of 329 mm Pad size: 1mm 6mm Number of tracker:~200 B = 3.5 Tesla With multiple scattering and smearing Varying half length and outer radius independently To be further optimized

20 气体模拟研究模拟软件 Garfield7.41 模拟环境 SLC5.4 单气体模拟时长 2 小时磁场 0T,1T,3T 和 5T 漂移场选择约 200V/cm 漂移速度约 80um/ns 趋近于饱和速度横向与纵向扩散与 300um/ns@1T 不同磁场下横纵向扩散变小 T2K 气体的主要性能

21 气体模拟研究一种常规气体 (Ar/CO2=90/10) 一种非常规气体 (Ar/CF4/neoC5H12=90-9-1) 模拟评估可能的工作气体

22 一种可能的模块研究 GEM+Micromegas 探测器原理图 GEM+Micromegas 组装图

23 一种可能的模块研究 Microme gas 仅工作的能谱 GEM+Micromegas 均有工作的电子谱 GEM+Micromegas 55 Fe 二者能谱的倍数差即 GEM 的放大倍数

24 模块研究的主要考虑 Standard GEM with frame from CERN GEM with thin and low material frame (CIAE Prof. Li Xiaomei R&D) Low material and thin frame GEM detector

25 读出电子学的需求 10 6 channels in total High signal-to-noise ratio High density Low power consumption For example: ILC TPC down to 100W/m 2 with power pulsing Cooling for heat dissipation Radiation tolerance TPC readout ASIC chips on market

26 预研主要工作计划 1 Welcome to join and contribute. 结合 CEPC 的主要物理需求, 优化主要的结构参量 Simulation of single point resolution RΦ and point resolution z Checked and optimized detector geometry Two-hit sepration (i.e. of occupancy in the beam structure) de/dx What is needed? Pad size and Hybrid detector test 工作气体模拟与选择 Long drift gas studies Fast drift velocity Low electric field ILD-TPC 国际合作 ILD-TPC Large prototype (understanding, learning, joining? ) Beam test and data analysis Things to be done Short time scale 1~3 years To CDR of CEPC

27 预研主要工作计划 2 Welcome to join and contribute. 正离子反馈 Optimized of Hybrid detector with pre-amplifier GEM detector Optimized of the resistive Micromegas Hybrid detector performance 激光标定研究 Calibration in the working gas Alignment in the modules 读出电子学 Common 气体供给和高压供给系统 Long HV stability Overall temperature uniformity and stability 其他配套条件 Other things to be done Longer time scale 3~5 years To CDR of CEPC

28 谢谢!

Concept of Hyper Kamiokande (20 times Super K) 48m x 50m x 250m x 2 Total mass ~ 1 Mton Photocathode coverage ~40% of surface ~200,000 PMTs => prohibi

Concept of Hyper Kamiokande (20 times Super K) 48m x 50m x 250m x 2 Total mass ~ 1 Mton Photocathode coverage ~40% of surface ~200,000 PMTs => prohibi R&D of a Large Format Hybrid Photo-Detector (HPD) for a Next Generation Water Cherenkov Detector Tokyo - HPK joint R&D program H.Aihara University of Tokyo HPK =Hamamatsu Photonics 1 presented at Next