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Development of a prototype GEM TPC with a gating grid for an H-dibaryon search experiment at J-PARC

J-PARCにおけるHダイバリオン探索のためのGEMとゲーティンググリッドを用いたTPC試験器の開発

佐甲 博之; 杉村 仁志; Ahn, J. K.*; Han, Y.*; 長谷川 勝一; Hwang, S. H.*; 市川 裕大; 今井 憲一; 木内 隆太*; 小沢 恭一郎; 佐藤 進; 白鳥 昂太郎*

Sako, Hiroyuki; Sugimura, Hitoshi; Ahn, J. K.*; Han, Y.*; Hasegawa, Shoichi; Hwang, S. H.*; Ichikawa, Yudai; Imai, Kenichi; Kiuchi, Ryuta*; Ozawa, Kyoichiro; Sato, Susumu; Shirotori, Kotaro*

J-PARCのHダイバリオン探索実験のためGEMとゲーティンググリッドを使用したTPC試験器を開発した。性能評価のため、実験室試験とビーム試験を、Ar-CH$$_{4}$$とAr-CF$$_{4}$$にて行った。検出効率は5$$times$$10$$^{5}$$ cps/cm$$^{2}$$までのビームレートにおいて98%、3$$times$$10$$^{6}$$ cps/cm$$^{2}$$のレートにおいて90%であった。ドリフト長5-20cmにおける水平位置分解能測定値0.19-0.49mmに基づき、本実験の磁場1Tにおける位置分解能は0.3mm以下と見積った。ゲインが1.6$$times$$10$$^{4}$$の時、イオンバックフローの割合は5%と測定され、さらにGEMの電圧調整により3%まで抑えられた。ビームレート5$$times$$10$$^{5}$$cps/cm$$^{2}$$においてゲート使用時のバックフロー2.7$$times$$10$$^{8}$$s$$^{-1}$$cm$$^{-1}$$による位置歪みは$$pm$$0.2mm以下になった。一方、ゲート開の場合のバックフロー1.3$$times$$10$$^{9}$$s$$^{-1}$$cm$$^{-1}$$に対応する位置歪みは$$pm$$2mmであった。本実験における位置歪みは要求値の$$pm$$1mmよりも小さい0.3$$pm$$0.2mmと評価された。本実験における荷電粒子のエネルギーロスより平均30倍高い環境下で本実験と同程度の期間、GEMを連続動作させることができた。

We developed a prototype TPC for an H-dibaryon search experiment at J-PARC. To investigate its performance, we conducted tests with Ar-CH$$_{4}$$ (90:10) and Ar-CF$$_{4}$$ (95:5), where the former is mainly used. The detection efficiency was measured to be 98% at the beam rate up to $$5times10^{5}$$ cps/cm$$^{2}$$, and 90% at the rate of $$3times10^{6}$$ cps/cm$$^{2}$$. Based on the measured horizontal resolution of 0.19-0.46 mm at the drift length of 5-20 cm, the position resolution of better than 0.3 mm is estimated in 1 T magnetic field. The ion backflow fraction was measured to be 5% and reduced up to 3% at the gain of $$1.6times10^{4}$$. The horizontal position distortion due to ion backflow in the gate operation was suppressed within $$pm 0.2$$ mm at the beam rates up to $$5times10^{5}$$ cps/cm$$^{2}$$. On the other hand, the distortion with the gate open was measured to be $$pm2$$ mm. The distortion in the final experiment is estimated to be $$0.3 pm 0.2$$ mm.

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