Transcript Micro Pixel Chamberにおける 電子ドリフトおよびガス増幅の

Micro Pixel Chamberにおける
電子ドリフトおよびガス増幅の
シミュレーション
放電に関する考察と電極構造の最適化
京都大学
2004年12月3日
永吉勉
Micro Pattern Gas Detector 研究会
Contents
•
•
•
•
Micro Pixel Chamberとその現状
Maxwell / Garfieldについて
放電現象とその考察
電極構造最適化への試み
2004年12月3日
Micro Pixel Chamber (m-PIC)
• PCB technology
• Pixel electrode
• 2D readout
100mm
• 400mm pitch electrodes
• 256 anodes and
256 cathodes
2004年12月3日
10cm
Detection area = 100cm2
Performance of m-PIC
0.5mm
slits
Gas gain
Max: 1.6×104
104
103
400
Anode voltage [V]
Max: 1.6×104
Gas gain
Stable: ~6000
2004年12月3日
Max gas gain …
position resolution
limited by discharge
σ=120mm
Length along the edge [mm]
m-PICの現状
Gas gain 5000~10000の
ときのμ飛跡の図
• ガス増幅率は104を超えている
• MIP検出にはあと数倍高くしたい
• この条件での安定動作は厳しい
proton
( ~1MeV)
Gas gain 数万のときのμ
飛跡の図
目標
ガス増幅率105、放電なしで
数ヶ月以上の安定動作
2004年12月3日
DRIFT[clock]
• ガス増幅率を制限しているのは放電
• 放電の原因を特定したい
CP + m-PIC
gain ~ 104
m track
(Cosmic ray)
Simulation
3D simulation using MAXWELL and GARFIELD
• MAXWELL
– 3D structure
– Finite element method
• GARFIELD
– Electron drift
– Gas multiplication
MAXWELL
2004年12月3日
Field
map
GARFIELD
Expected
performance
Discharge
Possible mechanism …
1. High ionization (avalanche size >108 electrons)
2. Malter effect (ポリマー膜の絶縁破壊)
3. 絶縁層への電子の蓄積  帯電  沿面放電
4. カソード端からのField emission
Damaged
electrode of MSGC
10mm
電子収集効率
~90%
~10%
(anode)
10mm
Damaged electrode
(cathode)
(anode)
charging-up
2004年12月3日
電子ドリフト終端点分布
Nagae et al.,
NIM A 323 (1992) 236
• もともとはMSGCで陽イオン
蓄積を防ぐためのもの
• 電子蓄積を防ぐ
 放電予防？
有機チタンをコーティングしたm-PIC
Gas gain
チタンコートm-PIC
Ti-coat m-PIC
104
放電をなくす試み：
Normal m-PIC
チタンコーティング  効果なし
103
460
560
Anode voltage [V]
•Gas gain ~ 3000で
動作不安定
2004年12月3日10cm
•電子蓄積は放電の
原因ではない？
金属表面付近のポテンシャル
Field emission
• 強電場下で金属表面から
電子が放出される
（E > 数百～千kV/cm）
• 入射粒子がなくても放電が
おこる
強電場のあるところ：
電気三重点(triple junction)
metal
(cathode)
dielectric
2004年12月3日
vacuum
(gas)
電場がないとき
x
F
E
-eEx
電場があるとき
I = a E2 exp( – b / E )
m-PIC電場強度マップ
~200kV/cm
100-200kV/cm
Field emission
強電場が生じる場所
100-150kV/cm
エッチング残り？
cathode
E > 600kV/cm
エッチング残り？
エッチング残りなどがあると強電場ができる
2004年12月3日
Emitted electrons
~ Case of the current m-PIC ~
E field [kV/cm]
[1/cm]
Townsend
基板表面に沿ったTownsend係数
基板表面に沿った電場強度
180
104
103
1002
10
10
20
Surface flashover
Triple
junction
2004年12月3日
TJからField emission
 基板表面を走りながら
ガス増幅
基板表面に沿って
Townsend係数を積分
“ガス増幅率” ~ 5×107
Raether limitに近い
放電の原因は？
Total gas gain
m-PIC + capillary plate (CP)
(VmPIC = 520V)
2.2×104
104
103
CP: 鉛の放射性同位体を
含む
a particle
 103-4 electrons/anode
1電極あたり~105個の
電子が蓄積するはず
(for 1 a particle)
1700
1800
VCP [V]
• 有機チタンコーティングは効果なし
• Capillary plate + m-PICではgas gain > 104で安定動作
ドリフト電子蓄積  放電
とはならない!!
2004年12月3日
放電の主要な原因は
カソードからの電子放出？
Optimization 1
E field [kV/cm]
350
Thickness
5mm
100mm
200mm
~ Thick insulator m-PIC ~
Thick insulator
 High field @ anode
Low field @ cathode
•High gas gain ( > 105)
100
•Discharge-free operation
r
O
anode
(600V)
2004年12月3日
cathode
(GND)
Optimization 1
~ Thick insulator m-PIC ~
Multiplication
current m-PIC
基板表面を走る電子の”ガス増
幅”
1010
109
108
Raether limit
沿面ガス増幅率の厚さ依存
（これは前頁？）
107
Triple
junction
薄い基板：
沿面放電の”ガス増幅率”
がRaether limitを超える
沿面フラッシオーバ？
106
50
100
2004年12月3日
150
200
Thickness [mm]
Optimization 1
~ Thick insulator m-PIC ~
m-PICの絶縁層を厚くする
• カソード端の電場が弱い  Field emission起こりにくい
• Field emission による“ガス増幅率”が低い
• ドリフト電子を効率よく収集
絶縁層を厚くしたいが…
Efficiency
~ 40%
Efficiency
> 90%
• アノードのアスペクト比 > 2
 技術的に難しい
• 他の方法はないか？
2004年12月3日
5mm thick
200mm thick
Optimization 2
~ Well-type m-PIC ~
• レーザーで絶縁層を除去
• 電子収集効率 > 98%
• カソード端での電場が弱い
 放電が起こりにくい
• 壁面での放電が問題
 改善可能？
150-200kV/cm
< 100kV/cm
Maxwellによる
2004年12月3日
電場強度マップ
電子ドリフト終端点分布
well-type
normal
Summary
m-PICにおける放電の原因について
• 有機チタンコーティングでは放電を防げない
• 鉛ガラスCP + m-PICはgas gain > 104で安定動作
• 電場計算  沿面放電の“ガス増幅率” ~ Raether limit
放電の原因はField emissionによる沿面放電
対策 … カソード端での電場を弱くする
• 厚い絶縁層を作る
…今のところ、技術的に困難
• 絶縁層をレーザーで掘り抜く …GEMで可能ならm-PICでも
2004年12月3日