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

Presentation on theme: "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"— Presentation transcript:

1 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　　永吉勉 Micro Pattern Gas Detector 研究会 2004年12月3日

2 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

3 Micro Pixel Chamber (m-PIC)
PCB technology Pixel electrode 2D readout 100mm 400m pitch electrodes 256 anodes and cathodes 10cm 2004年12月3日 Detection area = 100cm2

4 Performance of m-PIC 0.5mm slits 104 103 position resolution σ=120mm
Gas gain 400 Anode voltage [V] Ar / C2H6 (90 / 10) Ar / C2H6 (80 / 20) Max: 1.6×104 Length along the edge [mm] Max gas gain … limited by discharge position resolution σ=120mm Max: 1.6×104 Stable: ~6000 Gas gain 2004年12月3日

5 m-PICの現状 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) 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 Gas gain 数万のときのμ飛跡の図 Anode[cm] Cathode[cm] DRIFT[clock] m track (Cosmic ray) CP + m-PIC gain ~ 104 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 ガス増幅率105、放電なしで 数ヶ月以上の安定動作 目標 2004年12月3日

6 Simulation GARFIELD 3D simulation using MAXWELL and GARFIELD MAXWELL
3D structure Finite element method GARFIELD Electron drift Gas multiplication Field map Expected performance MAXWELL GARFIELD 2004年12月3日

7 Discharge Possible mechanism …
High ionization (avalanche size >108 electrons) Malter effect (ポリマー膜の絶縁破壊) 絶縁層への電子の蓄積  帯電  沿面放電 カソード端からのField emission Damaged electrode (anode) Nagae et al., NIM A 323 (1992) 236 10mm (cathode) (anode) Damaged electrode of MSGC 電子収集効率 ~90% ~10% charging-up 2004年12月3日 電子ドリフト終端点分布

8 チタンコートm-PIC 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？
放電をなくす試み： チタンコーティング　 効果なし Anode voltage [V] 460 560 103 104 Gas gain Ti-coat m-PIC Normal m-PIC チタンコートm-PIC 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 10cm Gas gain ~ 3000で 動作不安定 電子蓄積は放電の 原因ではない？ 2004年12月3日

9 Field emission I = a E2 exp( – b / E ) 強電場下で金属表面から 電子が放出される F -eEx E
電場がないとき 電場があるとき x -eEx F E 金属表面付近のポテンシャル I = a E2 exp( – b / E ) Field emission 強電場下で金属表面から 電子が放出される 入射粒子がなくても放電が おこる （E > 数百～千kV/cm） ~200kV/cm m-PIC電場強度マップ kV/cm 強電場のあるところ： 電気三重点(triple junction) metal (cathode) vacuum (gas) dielectric 2004年12月3日

10 Field emission E > 600kV/cm 強電場が生じる場所 エッチング残り？ 100-150kV/cm cathode
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

11 Emitted electrons ~ Case of the current m-PIC ~
10 102 103 104 Townsend [1/cm] 基板表面に沿ったTownsend係数 基板表面に沿った電場強度 TJからField emission  基板表面を走りながら 　　ガス増幅 100 180 20 E field [kV/cm] 基板表面に沿って Townsend係数を積分 Triple junction Surface flashover “ガス増幅率” ~ 5×107 Raether limitに近い 2004年12月3日

12 放電の原因は？ CP: 鉛の放射性同位体を含む m-PIC + capillary plate (CP)
VCP [V] 104 103 Total gas gain (VmPIC = 520V) 1700 1800 m-PIC + capillary plate (CP) a particle  electrons/anode 2.2×104 1電極あたり~105個の 電子が蓄積するはず (for 1 a particle) 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!! 放電の主要な原因は カソードからの電子放出？ 2004年12月3日

13 Optimization 1 r anode cathode ~ Thick insulator m-PIC ~ 350
E field [kV/cm] 100 (GND) (600V) O Thickness 5mm 100mm 200mm Thick insulator  High anode Low cathode High gas gain ( > 105) Discharge-free operation 絶縁層が薄すぎると、ポリイミドの絶縁破壊も起こりうる (PIの絶縁破壊: ~180kV/cm) 2004年12月3日

14 Optimization 1 ~ Thick insulator m-PIC ~ 基板表面を走る電子の”ガス増幅”
Triple junction 基板表面を走る電子の”ガス増幅” 沿面ガス増幅率の厚さ依存 （これは前頁？） Thickness [mm] 106 107 108 109 1010 Multiplication Raether limit 100 200 50 150 current m-PIC 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？ 2004年12月3日

15 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 5mm thick 200mm thick Efficiency ~ 40% Efficiency > 90% 絶縁層を厚くしたいが… 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

16 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？ kV/cm < 100kV/cm Maxwellによる 電場強度マップ 電子ドリフト終端点分布 well-type normal 2004年12月3日

17 Summary m-PICにおける放電の原因について 放電の原因はField emissionによる沿面放電
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 絶縁層をレーザーで掘り抜く …今のところ、技術的に困難 …GEMで可能ならm-PICでも 2004年12月3日