2016 Fiscal Year Annual Research Report
Development of extremely low-material particle tracker enabled by a conductive polymer straw
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16H02192
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
西口 創 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 准教授 (10534810)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 素粒子実験 / 放射線検出器 / ミューオン / ガス検出器 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
素粒子標準理論を超える新物理に優れた感度があると期待されるミューオン=電子転換過程探索実験の感度を向上させるため、飛跡検出器の高感度化を目指す。特に、同過程の信号事象は105MeVという低エネルギー電子であるため、飛跡検出器の構成素材の低物質量化が鍵を握る。そこで本研究では、先に準備研究で実現した真空中で動作可能な20ミクロン厚9.8mm径ストローによる比例計数管を多数実装して大型化し、「真空中で動作可能な飛跡検出器」へと発展昇華させ、ミューオン=電子転換過程探索実験の感度を劇的に向上させることを目指す。また、準備研究で実現に及ばなかった12ミクロン厚・5mm径という薄膜・小口径ストロー比例計数管を実現し、究極の軽量化飛跡検出器の実現を目指す。これにより、J-PARCで実施予定のミューオン=電子転換過程探索実験の感度を最終的に10000倍向上させることを目指す。
そのため、研究計画初年度（平成２８年度）に、準備研究で実現に成功した20ミクロン厚9.8mm径の薄膜導電性ストローを用いて飛跡検出器として実装するための研究を実施した。まず、準備研究時に得られた、新ストローを用いて製作した比例計数管の基礎特性データを詳細に解析、その結果をNuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A誌に投稿、平成２９年２月に公開された。またこれと並行して、大型化した上で真空対応を施した飛跡検出器試作機を製作、これに電子ビームを照射して性能評価した。平成２９年度以降は、これらの知見をもとに、いよいよ飛跡検出器実機の建設に取り掛かる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
飛跡検出器実機建設に向けて、大型試作機への最終改良を施した上で電子ビーム照射試験を実施、最終的な性能評価を完了した。大型試作機への最終改良は、導電性薄膜ストロー・ワイヤ・支持筐体等は実機で採用を予定している材料を用いた上で、読出しエレクトロニクスの信号を真空中から大気側へ転送するために光ファイバー端子を用いた特殊な真空導入端子を企業と共同で開発、これを検出器試作機へ組み込むことで完成させた。また、飛跡検出器で必要になるガス制御系・読出しエレクトロニクスの統合運用のための電子回路開発、等を実施し、電子ビーム照射試験のための準備を済ませた。その上で、平成２９年３月に、東北大学電子光理学研究センターにて、電子ビーム照射試験を実施、真空中での安定運転を実現し、様々な運動量・入射頻度での電子ビーム照射データの取得に成功した。現在、得られたデータの詳細な解析を進めている。
これと並行して、真空中での電子回路の放熱機構開発用の真空チャンバーを製作し、実機で問題となる電子回路の放熱機構の設計を進めた。特に、実機では１機当たり30W程度の発熱量が想定され、またシステム自体大型化・複雑化されるため、熱計算による見積もりとは別に、実際に用いる電子回路を真空チャンバーに設置した上で様々な条件下での発熱・放熱の実データを取得する必要がある。そのための真空チャンバーの製作、及び内部に設置した電子回路の信号転送・電力供給のための真空導入端子の開発等を済ませ、実際に発熱・放熱データを取得している。
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| Strategy for Future Research Activity |
大型試作機への電子ビーム照射試験を実施したので、まずはそのデータ解析により最終性能評価を完了させる。これと並行して、実機運用の際に重要になる制御系システムの構築を進める。特に、ガス流量制御・高電圧制御・真空排気制御等をしつつ、これと並行して検出器の各種パラメータをモニタするシステムである。その雛形は、大型試作機への電子ビーム照射試験時に製作したが、これを元に実機用の制御系システムを完成させる。また、実機となり検出器の読出しチャンネル数が劇的に増大するため、真空中で運用する本検出器の場合は、発熱・放熱への対処の問題が喫緊の課題となる。この放熱機構を開発するため、平成２８年度に試験用真空チャンバーを製作した。平成２９年度前半に、この真空チャンバーへ信号読出し回路を設置した上で、放熱機構試作機を開発する。そこで得られる知見を元に、放熱機構を含んだ最終実機の設計を完了させ、いよいよ実機の製作に取り掛かる。そのため、平成２９年度後半には実機１号機の筐体を製作、これに導電性薄膜ストロー480本を敷設した上で、全てのストロー内部にワイヤを張り、実機１号機を完成させる。平成２９年度はこの実機１号機の建設を開始することを目標とする。平成３０年度には完成した１号機の試験と並行して２号機以降の製作に取り掛かる。
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