大面積Micro Pixel Chamberの開発 9

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えつみよしくに
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1 Introduction µ-pic と電場構造ガス増幅 Simulation 信号波形の再現まとめと今後京都大学宇宙線研究室髙田淳史

2 2 次元ガスイメージング検出器プリント基板技術で製作ピクセル間隔 :4 μm 個々のピクセルでガス増幅大面積 : cm 2 and 3 3 cm 2 大きな増幅率 :max ~15 高い位置分解能 :RMS ~12 μm 均一な応答 :RMS ~5% ( cm 2 ) 1 ヶ月を超える連続安定動作が可 (@ gain ~6) 電場 MeV ガンマ線望遠鏡 ( 小田 13 日 15:2-) 環境調査用ガンマ線カメラ ( 友野 13 日 16:2-) 医療用ガンマ線カメラ中性子イメージング検出器 (Parker 14 日 14:3-) ダークマター探査実験他

preamp への入力は最小で 2fC 程度 @ gain ~3 生信号は誰も見たことがない Simulation を用いた Study を!

3 µ-pic の設計は経験のみに頼ってきた - より高ゲイン安定な µ-pic にするには? - 各パラメータの振舞いを実験で調べるには限度がある各種応用での振る舞いの理解に Simulation は必須 - ガス飛跡検出器の応答は? preamp への入力は最小で 2fC gain ~3 生信号は誰も見たことがない Simulation を用いた Study を!! cm] Cosmic muon [cm] Compton-recoil electron threshold 2 TOT 2 TOT time Time-Over-Threshold (TOT) 2 [cm] 2 [cm]

4 Garfield Fortran 比例計数管 MWPC を想定基本的に 2 次元のみの計算巨視的な計算 update Garfield++ C++ 微細な電極を持つ検出器も想定 3 次元で計算微視的な計算 Townsend 係数 [1/cm] Townsend 係数 αα(ee) -> 電子の経路で積分 αα dddd > 増幅率 = exp ααdddd Ar 反応断面積 -> イオン - 電子対の生成 -> 増幅率 = イオン - 電子対の数 4 E [V/cm] Energy [ev] ガス飛跡検出器の応答 GarfieldではETCCのガス飛跡検出器を再現できなかった Garfield++ では??? 断面積 [Mbarn] 1.1.1

Geometry Gmshで有限要素法用のメッシュを定義測定した幾何情報を基にモデル化 Electric,

へ入力 Gmsh: http://geuz.org/gmsh Elmer: http://www.csc.

5 Geometry Gmshで有限要素法用のメッシュを定義測定した幾何情報を基にモデル化 Electric, Potential, Weighting Field Elmerを用いて3 次元的に計算 Garfield++ へ入力 Gmsh: Elmer: (cap) Z [cm] Z [cm] Voltage V A =56 V Electric field V A =56 V [V] X [mm] [V/cm] (strip) X [mm] 1

6 電子 1 個をμ-PICに入射イオン- 電子対の数からガス増幅率比例計数管の場合増幅率のゆらぎはPolya 分布に従う θθ xx (1 + θθ) xx (1+θθ) ff xx = ee AA AA μ-pic のガス増幅率も Polya 分布 θ はアノード電圧によらず ~.65 Seed electron Ar 9% + Ethane % 5.89 kev(fwhm) 2 3 # ion-e pairs 6 Ar 9% + Ethane % 4 Secondary electrons Ions 2 2 # ion-e pairs

7 Ar 9% + Ethane % r =.31 Garfield++ 実測値 :SN :SN Garfield++ による増幅率は実験値を良く再現

8 r : Penning Transfer Rate :SN :SN5921-1

2 次電子発生点マップ Ar 9% + Ethane % : 46 V 2 次電子発生点マップ Ar 9% + Ethane % : 56 V [μm] [μm] 高さ高さ 8 8 4 4 4 8 半径 [μm] 4 8 半径 [μm] Avalanche 重心マップ Avalanche 重心マップ Ar 9% + Ethane % Ar 9% + Ethane %

9 2 次電子発生点マップ Ar 9% + Ethane % : 46 V 2 次電子発生点マップ Ar 9% + Ethane % : 56 V [μm] [μm] 高さ高さ半径 [μm] 4 8 半径 [μm] Avalanche 重心マップ Avalanche 重心マップ Ar 9% + Ethane % Ar 9% + Ethane % : 46 V : 56 V 半径 [μm] 4 8 半径 [μm] 高さ [μm] 高さ [μm] イオン - 電子対発生点アノード近傍 μm 以下電圧依存はあまり無い増幅の重心位置アノードの 5 μm 上に集中電圧依存はあまり無い信号はイオン電子の移動による誘導電荷信号波形は電圧に対して鈍感電荷量 (= 増幅率 ) と形を別々に考慮する

10 Ar 9% + Ethane % : 46 V 基板から 1mm 上方赤四角内から電子を発生ガス増幅により生じた電子の全てについて追跡アノードに到達 98% 基板に降着 2% 以前の Garfield での Simulation を Confirm

11 Current [na] Seed 電子 1 個に対する生の信号波形例電子成分イオン成分 2 3 Time [ns] 電子成分イオン成分 Charge / Avalanche Size [ -3 fc] 立ち上がりの時刻揺らぎ Drift 方向の拡散パルス幅 1~2 nsecの鋭いスパイク電子による誘導電荷 ~ nsecのゆっくりした成分イオンによる誘導電荷電子成分 : イオン成分 = 1 : 9 (μ-picサイズの比例計数管 = 1 : 8.4)

Current [na] -3 mv 4 ns 16 nsec ASD 8 nsec ASD Emulated preamplifier output [mv] -6-9 - -2-3 u-pic からの生信号 EE = 589 ev ff =.17, ww = 26 ev AA = 3, σσaa = 7% θθ =.

12 Current [na] -3 mv 4 ns 16 nsec ASD 8 nsec ASD Emulated preamplifier output [mv] u-pic からの生信号 EE = 589 ev ff =.17, ww = 26 ev AA = 3, σσaa = 7% θθ = Time [ns] 時定数 16 ns の preamp 出力 Time [ns] Emulated preamplifier output [mv] mv 55 Fe irradiation Ar 8% + C 2 H 6 2% 1 atm, Gain ~3 時定数 8 ns の preamp 出力 Time [ns] 実験で得られたパルス高が Simulation で説明できた

13 実験で得た飛跡 Ar + C 2 H 6 (%), 1 atm Gain ~48 Gain uniformity σ = 15% Threshold -18/+32mV ASD 8ns Drift 3.6cm/us 133 Ba irradiation 計算から得た飛跡 Ar + C 2 H 6 (%), 1 atm w = 26eV, f =.17 Gain ~48 Gain uniformity σ = 5% Threshold 24mV ASD 8ns Drift 4.2cm/us Electron energy <2keV

Raw ( 実験 ) 4 3 2 de/dx カット後 ( 実験 ) Escape event

(Garfield++) Simulation から得た飛跡画像の面積は実験結果を大よそ再現 2

14 Raw ( 実験 ) de/dx カット後 ( 実験 ) Escape event 有感領域から外へ出ていく電子 Fully contained 有感領域内で止まった電子 Energy [kev] 4 8 Energy [kev] de/dx で止まった電子のみ選択可 All events (Garfield++) 4 3 Fully contained events (Garfield++) Simulation から得た飛跡画像の面積は実験結果を大よそ再現 2 このSimulatorを使用して飛跡解析やガンマ線再構成の検証が可能に Energy [kev] 4 8 Energy [kev]

15 Garfield++ を用いたμ-PICのSimulationを行った Gmsh, Elmerにより3 次元電場構造を有限要素法で計算 Single electron spectrumはpolya 分布で説明可 θ =.65 Energy 分解能の限界値 5.89keV (FWHM) ガス増幅率のアノード電圧依存性をよく再現イオン- 電子対の発生点はアノードの ~5 μm 上信号波形をSimulation 電子成分 : パルス幅 1~2 ns イオン成分 : ns 電子成分の電荷量 : イオン成分の電荷量 = 1 : 9 55 Feの信号を再現パルス高のpreamp 時定数による変化を再現 16ns amp : 8ns amp = 1 : ~2.3 TOT 分布 :escape/fully contained eventの2つとも再現 SimulationによるETCCの解析方法の検証を可能に A. Takada+, JINST 8 (213), C23

Thick-GEM 06S2026A 22 3

Thick-GEM 06S2026A 22 3 (MWPC-Multi Wire Proportional Chamber) MPGD(Micro Pattern Gas Detector) MPGD MPGD MPGD MPGD GEM(Gas Electron Multiplier) GEM GEM GEM Thick-GEM GEM Thick-GEM 10 4 Thick-GEM 1 Introduction