\chapter{E80-CDCの製作及びコミッショニングの現状}
\label{chp:6}
\thispagestyle{mystyle1}
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ここではCDCの製作過程と、完成したCDCを実際にデータを取れるまでに調整した様子を説明し、選定したガスと宇宙線を用いて実際にトラックを引けたことを示す。
\vspace{-6mm}
\section{製作}
ワイヤーの張力を考慮した構造計算は、Autodesk Inventor 3D CADアプリケーションを使用した有限要素法 (FEM) により行った。ワイヤーの張力による総荷重は2つのエンドプレートに均等に分配され、総荷重の半分がそれぞれのエンドプレートの表面に均一にかかる。CFRP（炭素繊維強化プラスチック）製の内側円筒のヤング率が軸方向では120~GPa、半径方向では50~GPaであり、総荷重に十分耐えるだけの強度を有している。エンドプレートの端部間で最大2.5~mmの変形が生じることが分かった。
ワイヤー張り作業中のエンドプレートの変形によるワイヤー張力の変化を防ぐために、ステンレス棒とバネから構成されるプリテンションバーを用いた。プリテンションバーのバネを縮めることによりテンションを与え、センスワイヤー、フィールドワイヤー、およびガードワイヤー計67層のうち、適切な6層にそれぞれ6本（計36本）のバーを設置し、ワイヤー張り作業中の総荷重が一定になるようにした（図\ref{fig:tensionmv}）。
\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=.8\textwidth]{fig/fig_chp_6/tensionmv.png}
    \caption{計算上のワイヤー張り作業中の総荷重の推移}
    \label{fig:tensionmv}
\end{figure}
初めから終わりまで、設計値である総荷重1.67~t前後を維持できていることがわかる。

CDCの建設は2022年度に開始され、2024年6月に完了した。ここでは企業に委託した建設過程と私が中心となって遂行した作業について説明する。

\begin{itemize}
    \item \textbf{2022年度: フィードスルーの製造およびワイヤーの購入}  
    
    17,500本のフィードスルーがHAYASHI-REPIC CO., LTD.により製造され、7,500 mの金メッキタングステンワイヤーがLUMA-METALL ABから、28,000 mのベリリウム銅線がNGK INSULATORS, LTD.から購入された。

    \item \textbf{2023年6月: エンドプレートの完成}  
    
    図\ref{fig:endplates}に示される2枚のエンドプレートがSEIRITSU CO., LTD.によって加工された。
    \begin{figure}[H]
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        \includegraphics[width=1.\textwidth]{fig/fig_chp_6/endpl.png}
        \caption{E80-CDCの2枚のエンドプレート}
        \label{fig:endplates}
    \end{figure}\vspace{-3mm}
    \item \textbf{2023年12月: 内部円筒の完成}  
    
    $\phi 302 \times \phi 304 \times \text{L}2580$ のCFRP円筒がASUKA CO., LTD.によって製造された。

    \item \textbf{2024年1月: 組み立ての完了およびワイヤー張り作業の開始}  
    
    2枚のエンドプレートとCFRP円筒がHAYASHI-REPIC CO., LTD.において組み立て治具を用いて接着された。構造強度を確認した後、36本のプリテンションバーおよび6本のCFRPパイプが設置された（図\ref{fig:pretensioning}参照）。
    \begin{figure}[H]
        \centering
        \includegraphics[width=.9\textwidth]{fig/fig_chp_6/startwire.png}
        \caption{ワイヤー張り途中のE80-CDC}
        \label{fig:pretensioning}
    \end{figure}
    
    \item \textbf{2024年5月: ワイヤー張り作業の完了}  
    
    合計8,244本のワイヤーがフィードスルーを通じて張られ、実際の張力は設計値の10\%以内に収まった。張られたワイヤーの総数の変遷は図\ref{fig:totalwires}に示した。最終的な全ワイヤーの張力は図\ref{fig:wiretension}と\ref{fig:wiretensionerr}に示した。
    \begin{figure}[H]
        \centering
        \includegraphics[width=1.\textwidth]{fig/fig_chp_6/totalwires.png}
        \caption{張られたワイヤーの数の変遷}
        \label{fig:totalwires}
    \end{figure}
    \begin{figure}[H]
        \centering
        \includegraphics[width=1.\textwidth]{fig/fig_chp_6/wire_fin.png}
        \caption{各レイヤーのワイヤーの張力}
        \label{fig:wiretension}
    \end{figure}
    \begin{figure}[H]
        \centering
        \includegraphics[width=1.\textwidth]{fig/fig_chp_6/tention_fin.png}
        \caption{各レイヤーのワイヤーの張力の設計値からのずれ}
        \label{fig:wiretensionerr}
    \end{figure}
    
    \item \textbf{2024年6月: J-PARCへの移送}  
    
    CDCはアルミ蒸着マイラーで密閉され、製造が完了した。その後、CDCは工場からJ-PARCの実験準備棟に移送された。
    
    ここまでが企業に委託した作業である。次からが私が中心的にJ-PARC E80実験グループメンバーと共に行なった手作業である。

    \item \textbf{2024年7月〜8月: 高電圧印加のためのケーブル作成と高電圧印加側$\cdot$信号読み出し側の準備}  

    電圧をかけるべきワイヤーが全部で6,428本ある。1本ずつに独立の電圧をかけるのは明らかに効率が悪いため、我々は各スーパーレイヤーごとにまとめて電圧をかけることにしている。そのためにはデイジーチェーンと呼ばれる、数珠状のケーブルを作成する必要がある。作成したものを図\ref{fig:kasime0}と\ref{fig:kasime}に示す。全て作成するのに、約1ヶ月費やした。
    \begin{figure}[H]
        \centering
        \includegraphics[width=1.\textwidth]{fig/fig_chp_6/kasime0.png}
        \caption{デイジーチェーンの材料}
        \label{fig:kasime0}
    \end{figure}
    \begin{figure}[H]
        \centering
        \includegraphics[width=1.\textwidth]{fig/fig_chp_6/kasime.png}
        \caption{完成したデイジーチェーン}
        \label{fig:kasime}
    \end{figure}
    作成したデイジーチェーンをE80-CDCのフィードスルーに装着した。
    \item \textbf{2024年9月〜10月: コミッショニングの準備} 

    高電圧印加に伴い、電源系統から来る高周波のノイズを軽減するために高電圧電源とE80-CDCフィールドワイヤー間にローパスフィルター回路を挟んだ。図\ref{fig:e80cdc_0}に作成したローパスフィルター回路を示した。抵抗の抵抗値は1~M$\Omega$、キャパシタの静電容量が2200~pFよりカットオフ周波数$f_c$は$f_c=1/2\pi CR=72$~Hzである。
    \begin{figure}[H]
        \centering
        \includegraphics[width=.8\textwidth]{fig/fig_chp_6/lowpass.png}
        \caption{ローパスフィルターの概念図と実際の写真}
        \label{fig:e80cdc_0}
    \end{figure}
    デイジーチェーンとローパスフィルター取り付け後の完成形の高電圧側の外観を図\ref{fig:cdhvmax}に示す。
    \begin{figure}[H]
        \centering
        \includegraphics[width=.9\textwidth]{fig/fig_chp_6/cdhvmax.png}
        \caption{高電圧側の完成形}
        \label{fig:cdhvmax}
    \end{figure}

    コミッショニングを開始するには信号読み出し側の整備も必要である。というのも、
    フィールドワイヤーに高電圧をかけると宇宙線によって電離された電子がセンスワイヤーに流れ込む。センスワイヤーをグランドに落とさなければセンスワイヤーに電荷が溜まる。長時間この状態が継続すると、センスワイヤーが溜まった電荷に耐えられなくなり最悪の場合ワイヤーの破損につながる。そのため、コミッショニングを開始する前にセンスワイヤーを全てグランドに落とす必要がある。信号読み出し側の構成は図\ref{fig:read0}に示す通りである。
    \begin{figure}[H]
        \centering
        \includegraphics[width=.8\textwidth]{fig/fig_chp_6/read0.png}
        \caption{信号読み出し側の構成}
        \label{fig:read0}
    \end{figure}
    信号読み出し側に関して、まずフィールドワイヤーのフィードスルーを保護するためにキャップをつける。加えて、変換基板の土台としてアルミのシールド板を装着する。これはグランド強化の役割も同時にになっている。その上から変換基板とセンスワイヤーのフィードスルーを接続する。この作業中の外観を図\ref{fig:read1}と図\ref{fig:read2}に示す。
    \begin{figure}[H]
        \centering
        \includegraphics[width=1.\textwidth]{fig/fig_chp_6/read1.png}
        \caption{信号読み出し側の外観。（左）フィールドワイヤーのフィードスルー保護のためのキャップとアルミシールド板固定のための真鍮製のスペーサーが見える。（中央）アルミシールド板のクローズアップ写真。（右）アルミシールド板取り付け完了時の写真。}
        \label{fig:read1}
    \end{figure}
    \begin{figure}[H]
        \centering
        \includegraphics[width=1.\textwidth]{fig/fig_chp_6/read2.png}
        \caption{（左）変換基板とセンスワイヤーをグランドに落とすためのケーブルのクローズアップ写真。（右）コミッショニングの準備完了時の写真。}
        \label{fig:read2}
    \end{figure}
    これで高電圧を印加する準備が整った。また、充填ガスとして\ref{chp:5}章で議論したAr-CO$_2$ (90:10)を選択した。流量はE80-CDC入口時点で80~ml/minとした。E80-CDCの容積は$4.4\times10^6$~mlより、この流量で1置換にかかる時間は約38日である。全体を均一に置換するためにあえてゆっくりと置換した。
\end{itemize}

\section{コミッショニング}
新品のワイヤードリフトチェンバー内部には製作の過程で埃が入っている可能性があり、高電圧をワイヤーにかけている時に埃がワイヤーに触れると急激に電流が流れ、最悪の場合ワイヤーが切れることもある。したがって、いきなり高電圧をかけるのではなく、数百Vほどから徐々に電圧を上げていく必要がある。E80-CDCには500$\;$Vほどからかけていき、目標の2400$\;$Vまでかけるのに1ヶ月以上かかった。
この期間における、記録された各レイヤーの電流値と電圧値の遷移プロットを図\ref{fig:hvmv}に示す。
2024年10月30日から高電圧をかけ始め、2024年12月中旬に目標の2400~Vまでかかるようになった。ただし、スーパーレイヤー＃1の一部が比較的不安定であったため、今回は高電圧印加の対象から除外してコミッショニングを進めた。この部分に関しては現在調査中である。
\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=1.\textwidth]{fig/fig_chp_6/hvmv.png}
    \caption{各スーパーレイヤーの「合計の電流値」と「電圧値」の遷移プロット}
    \label{fig:hvmv}
\end{figure}
\vspace{-3mm}
2024年12月13日、一部のASDを取り付け、信号読出しの準備を開始した。
印加電圧値を上げるとそれに応じて図\ref{fig:noise}に示すような特徴的なノイズが見られるようになったため、HV側$\cdot$信号読み出し側両方にシールドカバーを取り付けるなどをしてシールドを強化した。
また、HVケーブルやシグナルケーブルを床に置かないようにした。
この後の宇宙線測定においては、プリアンプの閾値を調整することによりシグナルとノイズをある程度分離させ、宇宙線の再構成を行った。
\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=.6\textwidth]{fig/fig_chp_6/noise.png}
    \caption{E80-CDCで見られた特徴的なノイズ（2200~V印加時）。結局このノイズを取り除くことができなかった。}
    \label{fig:noise}
\end{figure}
図\ref{fig:e80cdc}に宇宙線測定時のE80-CDCの外観を示す。
\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=.7\textwidth]{fig/fig_chp_7/e80cdc.png}
    \caption{宇宙線測定時のE80-CDCの外観。（左）HV側。（右）信号読み出し側。}
    \label{fig:e80cdc}
\end{figure}\vspace{-10mm}
\section{実験セットアップ}
基本的にはE15-CDCと同様である。ASDには電源モジュールから+3V、-3Vの供給が必要である。また、ASD内のDiscriminatorのための電圧閾値を決める必要もあり、今回の測定ではこれも電源モジュールから供給している。典型的には〜1.0Vだが、今回はまだノイズを落としきれていないということもあり1.5Vに設定した。totによりノイズと信号を分離するために、HVは2400Vに設定した。トリガーカウンターは図\ref{fig:e80cosmic}のように設置した。取り付けたASDの位置を図\ref{fig:asd}に示す。
\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=0.5\textwidth]{fig/fig_chp_6/cosmic.png}
    \caption{宇宙線測定時のE80-CDCとトリガーカウンターの配置}
    \label{fig:e80cosmic}
\end{figure}
\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=0.6\textwidth]{fig/fig_chp_6/asd.png}
    \caption{宇宙線測定時に取り付けたASDの位置}
    \label{fig:asd}
\end{figure}
TDC取得のトリガーは上下のトリガーカウンターのorとした。トリガーカウンターの面積は（上）約$6\times6$~cm、（下）約$3\times3$~cmで厚さは5~mm程度である。トリガーレートは〜1~Hzで、データ取得期間は2024年12月25日14:46〜23:33である。総イベント数は48,497であった。

\section{1トラックの検出}
各レイヤーごとのTDCスペクトルとTOTスペクトル、TDC vs TOTスペクトルを図\ref{fig:e80tdc}, \ref{fig:e80tot}, \ref{fig:e80tdcot}に示す。
\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=1.\textwidth]{fig/fig_chp_6/tdc.png}
    \caption{E80-CDCで取得した宇宙線のTDCスペクトル}
    \label{fig:e80tdc}
\end{figure}
\begin{figure}[H]
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    \includegraphics[width=1.\textwidth]{fig/fig_chp_6/tot.png}
    \caption{E80-CDCで取得した宇宙線のTOTスペクトル}
    \label{fig:e80tot}
\end{figure}
\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=1.\textwidth]{fig/fig_chp_6/tdcot.png}
    \caption{E80-CDCで取得した宇宙線のTDC vs TOTの2次元スペクトル}
    \label{fig:e80tdcot}
\end{figure}
トラックを引けそうなイベントを選択する。ここではまず「50 < TOT」というヒットのみ取り出し、かつ「各スーパーレイヤーのヒット数$N$が0 < $N$ < 3」という条件を課した。この条件のもと再構成した宇宙線トラックの例を図\ref{fig:e80coic}に示す。
\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=1.\textwidth]{fig/e80cdccosm.png}
    \caption{再構成した宇宙線トラックの例}
    \label{fig:e80coic}
\end{figure}
このように、\ref{chp:5}章で決定した充填ガスAr-CO$_2$ (90:10)を用いて、完成したE80-CDCにて宇宙線トラックを再構成することに成功したことによって、E80-CDCが問題なく動作することが確認できた。

全てのASDを取り付け、ノイズを最大限まで落とし、フルコミッショニングにて本論文\ref{chp:5}章と同様にレイヤー検出効率とトラッキング効率と位置分解能を評価することが今後の第一の課題である。