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