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1 ガラス基板を用いた μ-pic の開発 阿部光 ( 京都大学宇宙線研究室 ) 谷森達, 高田淳史, 水村好貴, 古村翔太郎, 岸本哲朗, 竹村泰斗, 吉川慶, 中増勇真, 中村優太, 谷口幹幸, 小野坂健, 齋藤要, 水本哲矢, 園田真也 ( 京都大理 ), Parker Joseph( クロス東海 ), 身内賢太朗 ( 神戸大学 ), 澤野達哉 ( 金沢大数物 ),

2 目次 μ-pic のイントロダクション TGV(Through Glass Via)μ-PIC の動作試験 55 Fe の信号とスペクトル ゲインカーブ 3 軸 μ-pic の Garfield++ でのシミュレーション ジオメトリパラメータとガスゲイン 各ストリップの信号分配 まとめ

3 μ-pic とその応用 Micro Pixel Chamber (µ-pic) μ-pic 応用 MeVガンマ線望遠鏡 Electron-Tracking Compton Cammera (ETCC) μ-pic + 位置検出型シンチレーターアレイ [ 要求 1] 電子飛跡決定精度の向上 [ 要求 2]μ-PIC 単体でのMIP 粒子検出 (GEMなし): ゲイン ~15,000 中性子イメージング検出器 [ 要求 ] 位置分解能 < 90 μm 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 :400 μm 個々のピクセルでガス増幅大面積 : cm 2 and cm 2 大きな増幅率 :max ~15000 高い位置分解能 :RMS ~120 μm 均一な応答 :RMS ~5% (10 10 cm 2 ) 1 ヶ月を超える連続安定動作が可 gain ~6000)

4 Gain μ-pic への要求 1 飛跡決定精度の向上 高空間分解能 ピクセル間隔を狭める 3 軸での信号読み出し 講演の後半 2 低電圧で高ゲイン アスペクト比 (Anode 柱高さ /Anode 直径 ) の増加 TSV(Through Silicon Via)μ-PIC 400 μm 従来の μ-pic( プリント基板技術 ) プリント基板技術の限界 : 基板を厚くするとアノードが太くなる 作成精度は ~10 mm 実現可能なアノード直径は 50 mm -> 電極の間隔はアノード直径が律速 Anode 460V Ar:90%,C 2 H 6 :10% (1 atm) 基板の厚み [μm] ( 竹村修論, 2015) ゲイン向上に至った初めての根本的構造変更 (T. Takemura et al, 2018) TSV μ-pic の不確定要素 Anode 柱側面に形成された SiO 2 層の厚み 半導体内の電荷移動による電場の効果 高アスペクト比のアノード形成可能な絶縁体の基板による μ-pic

5 ガラス基板を使った μ-pic(tgv μ-pic) 大日本印刷と共同で開発 TGV(Through Glass Via) 技術により高アスペクト比の Anode 形成が可能 ピッチ間隔 400 μm(5 cm 角 ) 215 μm(3 cm 角 ) の 2 種類の素子を製作 400 ( 単位 μm) μ-pic の顕微鏡写真 215 ( 単位 μm) 単位 (μm) 銅 5 リイミド 5 ガラス 380 ポリイミド 5 φ μm ピッチ :φ μm ピッチ :φ 30 φ 85 Anode φ 60 基板材質 ( 誘電率 ) アノードのアスペクト比 Cathode φ 250 Anode φ 35 Cathode φ 185 PCB μ-pic TSV μ-pic TGV μ-pic ポリイミド (3.2)[1MHz] ~ 2 (100 μm/60 μm) シリコン (+SiO 2 膜 ) (Si:11, SiO 2 :4.5) ~ 8 (400 μm/50 μm) 無アルカリガラス (5.8)[1MHz] ~ 6.5 (390 μm/60 μm) 製作精度 ~ 10μm ~ 数 μm ~ 10 μm

6 測定用セットアップ 400 μmピッチtgv μ-pic Anode strip cm 5 cm Cathode strip 128 ~1 kv/cm GEM ~1 cm 7.5 mm (4.4 mm for image) 4 mm 215 μm ピッチ TGV μ-pic Anode strip cm 3 cm Cathode strip 128 TGV μ-pic を TPC 容器へと導入 μ-pic からの信号は電圧供給基板を通して読み出し基板へ 封入ガス : Ar : C 2 H 6 = 90:10 (1atm)

7 Gain 400μm ピッチ TGV μ-pic 動作試験 GEM bottom : -330 V ΔGEM : 0V Anode : 500 V ~50 mv 線源 : 55 Fe(5.9 kev) ~250 ns μ-pic 単体 (ΔGEM : 0 V) Anode Cathode ある領域 (2.5 cm 2.5 cm) でのスペクトル ΔGEM : 300V GEM ゲイン : 6.8 Anode : 530 V Mn Kα (5.9 kev) 10 5 μ-pic のゲインカーブ (GEM での増幅は補正 ) Ar escape (2.9 kev) エネルギー分解能 21.9% kev FWHM) Ar : C 2 H 6 = 90:10 (1atm) GEM 増幅なしイベント TGV μ-pic(400μm) PCB μ-pic TSV μ-pic Anode voltage [V] TGV μ-pic 単体で初めて X 線の検出に成功 PCB μ-pic と同程度のゲイン

8 215μm ピッチ TGV μ-pic 動作試験 ΔGEM : 320V Anode : 500 V (gain:12.7) ~150 mv ~250 ns Anode X 線イメージングテスト時計台の栞 ( 金メッキ ) 厚み0.3mm 線源 : 55 Fe(5.9 kev) Cathode 栞から線源 :5 cm 線源 Fe55 ある領域 (1.5 cm 1.5 cm) でのスペクトル Mn Kα (5.9 kev) ΔGEM : 320V GEMゲイン : 12.7 Anode : 500 V エネルギー分解能 25.6% kev FWHM) 2.5 cm 2.5 cm ( 読み出し幅 :215 2=430 μm) Ar escape (2.9 kev) 二次元 X 線イメージングに成功 2 次元位置感度型検出器としての動作を確認

9 ゲインカーブ Garfield++ でのシミュレーション : TGV μ-pic (400μm) TGV μ-pic (215μm) μ-pic のゲインカーブ (GEM での増幅は補正 ) A. Takada+, JINST (2013) ポリイミド μ-pic Garfield++ Experiments: :SN :SN μm ピッチのゲインは 400μm ピッチの ~40% 480V) 10 3 Ar : C 2 H 6 = 90:10 (1atm) Anode voltage [V] 実測 : TGV μ-pic(400μm) TGV μ-pic(215μm) PCB μ-pic TSV μ-pic 400μm,215μm ピッチともに 実測値が計算値を下回っている 目標 : ゲイン 安定動作は達成されず シミュレーション値と実測値の乖離については現在調査中

10 Gain ε ガラス誘電率とゲインの関係 ガラスの誘電率特性 ( 低周波 ) ソーダ石灰ガラス (247 ) の電極分極効果 (C. Kim & M. Tomozawa, 1975) 無アルカリガラス ε = 5.8 [1 MHz] シミュレーションパラメータとして現実を反映していない可能性 仮説 : 無アルカリガラス ε DC >ε 1MHz ポリイミド ε Poly =2.9 固定 モノリスティック (ε glass =ε Poly ) ε glass が大きいほどゲインが下がる アノード近傍の誘電率不連続面はゲインを下げる 現在ポリイミド膜のないガラス μ-pic を製作中 Garfield シミュレーション ε glass Anode:400V Gas: Ar(90%),C 2 H 6 (10%) ガスゲインの誘電率依存性

11 電子飛跡決定精度向上を目指した 3 軸 μ-pic Garfield++ シミュレーション

12 3 軸読み出し可能な μ-pic(3 軸 μ-pic) Anode+Cathode+3 軸目 飛跡の不確定性を排除し 位置決定精度を上げることで高角度分解能化を目指す 試験用 3 軸 μ-pic を作製 (2017 年 ) Anode とのクロストークで 3 軸目読み出し 通常の 10 cm 角 µ-pic に対して pixel 読み出し : ch strip 読み出し : ch 試験用 3 軸 μ-pic の基板構造 製造方法 : プリント基板 (PCB) μ-pic の検出領域 : cm 2 ピクセルピッチ : 400 μm 試験用 3 軸 μ-pic のオシロ波形 3 軸目の信号を確認 ただし Anode,Cathode の 1/10 読み出すには増幅率の大きな 3 軸用のアンプが必要 Cathode を二つに分けた電極構造

13 新 3 軸 μ-pic Cathode を分割 立体交差した 3 軸 μ-pic PI e - イオン + 電子雪崩 上 -Cathode 下 -Cathode ガラス 400 μm Cathode ( 上 ) Cathode ( 下 ) Cathode( 上 ) ピクセル断面模式図 各ストリップのなす角 120 度 ピクセル配列は最密充填六角形 μ-pic Anode (x 軸 ) Anode 読み出しストリップの概観 電子雪崩は起こるのか? 狙い通りカソード信号は分割されるのか?

14 電子雪崩は起こるのか? ジオメトリパラメータとゲインの関係 変化させたパラメータ : 上 -Cathode の直径上 下 -Cath 間のポリイミドの厚み ポリイミドの厚み PI 上 -Cathode の直径 下 -Cathode の直径 放電耐性を考えて Anode, 下 -Cathode の直径は現行の μ-pic の値で固定 下 -Cathode の直径 = 260 μm Anode の直径 = 60 μm ガラス 400 μm ガラス μ-pic と同構造 Ar : C 2 H 6 = 90:10 (1atm) Anode 電圧 : 400 V Cathode 間電位差なし ピクセル断面模式図

15 厚み 厚み 厚み ジオメトリパラメータとゲインの関係 [μm] [μm] 平均ゲイン ( なだれの大きさ ) 電子回収効率 [μm] 露出幅 [μm] 露出幅 厚み [μm] 露出幅 下 -Cathode 径 : 固定 有効ゲイン ( なだれの大きさ ) アノード 参考 : シミュレーション値 (Anode 400 V) 400 μm ピッチガラス μ-pic ゲイン ~ [μm] 露出幅 パラメータを変えても 電子雪崩は起こり電子は増幅された 有効ゲイン (= 平均ゲイン 回収効率 ) は露出幅小ゲイン大

16 信号分配比 ( 下 / 上 ) カソード信号は分割されるのか? 上, 下 -Cathode の信号分配 上, 下 -Cathode の信号の大きさが同じくらい 同じアンプで読み出せるので ( 経済的に ) うれしい 信号の大きさの比の平均値 vs 下 -Cath の露出幅 積分時間 16 ns 積分時間 80 ns 積分時間 200 ns 積分時間 500 ns ポリイミド厚 :10 μm 等分配 80 ns 生信号 ドリフト領域に戻っていくイオン + テールが上 -Cath に大きな寄与 Drift Plane 電子雪崩 露出幅 [μm] 時定数 ~80 ns で信号を切れば おおむねどの露出幅でも同じアンプで読み出せる プリアンプ ( 時定数 80ns) で積分 マゼンタ下青上赤 Anode

17 ガラス μ-pic まとめ TGV 技術を使った ガラス基板の μ-pic(pitch 400 μm, 215 μm) を大日本印刷と共同開発 Fe55 を使った動作試験を行い 両素子で X 線信号を確認 215 μm ピッチ TGV μ-pic で X 線イメージング試験を行い 2 次元位置感度型検出器として動作することを確認 シミュレーション値との乖離の原因としてガラスの誘電率に注目し ポリイミド膜のないガラス μ-pic を製作し 試験中 3 軸 μ-pic Cathode を分割し 電子雪崩で生じるイオン 電子による誘導電荷を直接信号としてみる 3 軸 μ-pic を考案 電子雪崩シミュレーションを行い ジオメトリパラメータの変化に対する電子雪崩生成の冗長性を確認 下 -Cathode の露出幅が小さいほど ファクターレベルでゲインが上がる 各ストリップへの信号分配を計算し 積分時間 ~80 ns の回路を組み込めば 製作精度限界 (~10 μm) まで露出幅を小さくしても 同じアンプで読み出せる程度に信号は分配される 試作機作成に向け 製作プロセスも含めて大日本印刷と協議中

18 ガラス基板の誘電率とゲインの関係 ガラス誘電率とゲインの関係 Anode:400V ε glass = free parameter ε Poly = μm ピッチ 215μm ピッチ ポリイミド 5μm ガラス 380μm φ 50 φ 85 誘電率 でゲイン の傾向 ε glass ゲインの降下を説明するのか?

19 ゲイン降下と実効的な誘電率 400μm ピッチ : 実測値 シミュレーション値 (ε glass =5.8,ε Poly =2.9) ~ μm ピッチ : 実測値 シミュレーション値 (ε glass =5.8,ε Poly =2.9) ~ 0.5 ガラス誘電率と相対ゲインの関係 Anode:400V (ε glass =5.8 のゲインで規格化 ) ε glass = free parameter ε Poly = μm ピッチ 215μm ピッチ ゲイン降下を説明するのは 領域 ε glass ~20 前後 5.8 ε glass 誘電率の大きな差が与える電場構造への影響は?

20 ε glass =20, ε Poly =2.9 ( 不連続面あり ) 電場強度マップ ε glass =ε Poly =20 ( モノリスティック ) 電場強度マップ カソード 誘電率不連続面をとり除く アノード アノード周辺より強電場異常な強電場が >20 kv/cm 消えた >20 kv/cm

21 E (kv/cm) 放電耐性への影響 ポリイミド膜あり (ε glass =20, ε Poly =3.5) モノリスティック (ε glass =ε Poly =20) アノード 基板上 1μm カソード 3 重点 ( カソード ガス 基板 ) は強電場 放電に関係

22 電極上 1μm ポリイミド膜あり (ε glass =5.8, ε Poly =3.5) モノリスティック (ε glass =ε Poly =5.8) 基板上 1μm 電極上 1μm ポリイミド膜あり (ε glass =20, ε Poly =3.5) モノリスティック (ε glass =ε Poly =20) 基板上 1μm

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