CGEM用于BESIII MDC内室改进的初步研究 董明义 王亮亮 修青磊 核探测与核电子学国家重点实验室 中科院高能物理研究所 2012.12.13

BESIII内室问题及方案 CGEM作为漂移室内室的想法及初步模拟 总结

BESIII漂移室内室问题 束流本底 老化问题: 由于束流本底计数率高(第一层单丝计数率>200kHz，电流接近1μA)，内室无法在正常高压下工作，降低工作高压，导致空间分辨和效率变差 老化问题: 信号丝老化：连续运行4年来, 漂移室前10层已出现明显老化现象，其中第一层单丝累计电荷约为74mC/cm，丝单元增益下降约为20%，影响空间分辨及重建效率 场丝老化：Malter 效应（2012年1月出现），部分单元出现Malter放电，分别加CO2training和水蒸气解决放电问题，同时也使增益降低

漂移室内室升级预研 重建一个几乎一样的漂移室内室（正开始进行） 可能的升级预研方案: CGEM(Cylindrical Gas Electron Multiplier) 高计数率：>50MHz/cm2 抗辐射能力强: 2.2 C/cm2 较少的物质量：<0.5X0/层探测器 较高的空间分辨：<100µm（模拟读出） 意大利KLOE2 inner tracker 研制经验 相对研制周期短 ......

CGEM探测器的制作 From Italian group start from a single GEM foil… …then we splice 3 foils together… …glue the ring and overlap of planar… …close the vacuum bag on the mold…

CGEM探测器的制作 From Italian group … and get the cylindrical GEM The same process for cathode and anode rotation to seal the chamber at both ends

CGEM作为内径迹室的初步想法 目前漂移室内室: Rmin: 63mm; Lmin: 754mm Rmax: 183mm; Lmax:1046mm 包含: 8层斜丝 8层斜丝→4层CGEM Layer readout. R (mm) effective .L 1 77 460 2 107 580 3 137 700 4 167 870

CGEM作为内径迹室的初步想法 每层CGEM探测器的厚度： 12.4mm 相邻两层间的间隙： 17.6mm 工作气体: Ar/CO2 (70/30) 总的物质量：~1.56% X0 (4层) CGEM2 C fiber cylinder Thickness:1.2mm Outer MDC 107mm 137mm 167mm 181mm CGEM3 CGEM4 CGEM1 IP 77mm

单层CGEM 探测器结构 CGEM From KLOE-2 inner tracker upgrade Scheme 3级倍增GEM膜探测器 3 mm 2 mm Cathode GEM 1 GEM 2 GEM 3 Anode Read-out Conversion & Drift Transfer 1 Transfer 2 Induction 3级倍增GEM膜探测器 阴极 3级倍增GEM膜 读出阳极 支撑结构 650 µm pitch XV strips (stereo angle ~40°): X 给出r-φ 向位置, XV 给出 z 向位置

Times×material thickness×quantity 单层 CGEM 物质量 Component Times×material thickness×quantity % of X0 1 Cathode Copper: 2×2µm ×1 Kapton: 1×50µm ×1 Honeycomb: 1×3000µm ×1 0.028 0.035 0.024 Total: 0.087 3 GEMs Copper: 6×2um×0.8 Kapton: 3×50µm kapton ×0.8 0.067 0.042 Total: 0.109 1 Readou anode Copper: 2.5µm +1.5µm+2µm Kapton: 1×225µm ×1 Au: 2×0.1µm ×1 Epoxy: 2×10µm ×1 0.0787 0.0061 0.0060 Total: 0.133 CF support Kapton: 2×50µm ×1 Total: 0.059   Total: 0.39/layer 1.56/4layers

拟使用的读出芯片 Gastone32, （GEM Amplifer Shaper Tracking On Events）32channels 模拟读出芯片 意大利Bari-LNF 合作组研制 已设计出芯片，并准备在GEM探测器模型上试用 From Italian group Cylindrical GEM workshop at INFN ， A. Ranieri的报告

CGEM 期望的空间分辨 数字读出 KLOE2 (650 µm pitch) 模拟读出 From Italian group sx =190 µm ，sz ~ 350 mm 磁场下磁场的影响: 电荷扩散 190 µm  330 µm 模拟读出 COMPASS (400 µm pitch) sx =60µm (Nucl.Phys.Proc.Suppl. 125 (2003) 368- 373) 无磁场影响 sx ~ 650/400 • 50 ~ 80 mm  sz ~ 80 • 350/190 ~ 150 mm BESIII B-Field sx = 330 mm BESIII B-field: sz = 400 mm

CGEM Geant4 模拟 黄色: 蜂窝板支撑结构(Nomex) 蓝色: 阴极 (Cu, Kapton) 白色: 工作气体(Ar:CO2=70:30) 绿色: GEM膜(Cu, Kapton) 红色: 读出阳极(Cu, Kapton, Shielding) 灰色: 碳纤维支撑结构

单层 CGEM 探测器的结构 单锥微孔GEM膜，锥底朝向阴极 微孔直径: 70-60 um，微孔间隙: 140um

MC 样本及残差分布 Dp Dz Dr Single particle MC sample (不考虑噪声等因素): m- |cosq|<0.8, 动量: 0.2GeV/c, 0.6GeV/c , 1.0GeV/c Dp 330mm*400mm e.g. Dz 330mm*400mm Dr 330mm*400mm

Momentum resolution sp Ptot(GeV/c) 0.2 0.6 1.0 sp(MDC) (MeV) 0.89 (100%) 2.50(100%) 5.53(100%) sp(CGEM 330mm*400mm) 1.15(+29%) 2.69(+7.6%) 6.34(+15%) sp(CGEM 130mm*250mm) 1.13(+27%) 0.733 2.55(+2%) 2.51 5.59(+1.1%) 5.36 sp(CGEM 80mm*150mm) 0.729 2.48(-0.8%) 2.45 5.28(-4.5%) 5.13 Red from TRACKERR

Transverse resolution sr Ptot(GeV/c) 0.2 0.6 1.0 sr(MDC) (mm) 606 (100%) 217(100%) 164(100%) sr(CGEM 330mm*400mm) 728(+20%) 328(+51%) 252(+54%) sr(CGEM 130mm*250mm) 564(-7%) 526 239(+10%) 232 181(+10%) 176 sr(CGEM 80mm*150mm) 550(-9%) 471 199(-8%) 190 146(-11%) 141 red from TRACKERR

Z resolution sz red from TRACKERR Ptot(GeV/c) 0.2 0.6 1.0 sz(MDC) (mm) 1.89 (100%) 1.55(100%) 1.54(100%) sz(CGEM 330mm*400mm) 0.86(-54%) 0.42(-73%) 0.35(-77%) sz(CGEM 130mm*250mm) 0.72(-62%) 0.83 0.42 0.28(-82%) 0.36 sz(CGEM 80mm*150mm) 0.61(-68%) 0.67 0.29(-81%) 0.34 0.23(-85%) 0.28 red from TRACKERR

总结 与意大利Frascati合作，提出CGEM作为漂移室内室升级预研方案 进行了CGEM作为漂移室内室的初步模拟研究，模拟结果： Z向位置分辨明显改善(by a factor of 2~6)，有利于扣除本底，提高重建效率 r向位置分辨基本相当（CGEM分辨为：133mm*250mm 或 80mm*150mm 时 ） 对于低动量粒子动量分辨变差30%，对于高动量粒子，动量分辨相当

谢 谢！