micro pixel chamber n.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
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 PowerPoint Presentation
Download Presentation
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

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 17

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 - PowerPoint PPT Presentation


  • 171 Views
  • Uploaded on

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. 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. 10cm. Micro Pixel Chamber ( m -PIC). PCB technology Pixel electrode 2D readout. 100 m m.

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

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


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
micro pixel chamber

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

contents
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
micro pixel chamber m pic

10cm

Micro Pixel Chamber (m-PIC)
  • PCB technology
  • Pixel electrode
  • 2D readout

100mm

  • 400m pitch electrodes
  • 256 anodes and 256 cathodes

Detection area = 100cm2

performance of m pic

0.5mm

slits

Gas gain

Max: 1.6×104

104

Ar / C2H6 (90 / 10)

Ar / C2H6 (80 / 20)

103

400

Anode voltage [V]

Max: 1.6×104

Stable: ~6000

Gas gain

Length along the edge [mm]

Performance of m-PIC

Max gas gain …limited by discharge

position resolution σ=120mm

m pic

DRIFT[clock]

Cathode[cm]

Anode[cm]

proton( ~1MeV)

CP + m-PICgain ~ 104

目標

ガス増幅率105、放電なしで数ヶ月以上の安定動作

m track (Cosmic ray)

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

  • 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
simulation
Simulation

3D simulation using MAXWELL and GARFIELD

  • MAXWELL
    • 3D structure
    • Finite element method
  • GARFIELD
    • Electron drift
    • Gas multiplication

Field map

Expectedperformance

MAXWELL

GARFIELD

discharge

(anode)

10mm

10mm

Damaged electrode(anode)

(cathode)

Nagae et al.,

NIM A 323 (1992) 236

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 of MSGC

電子収集効率

~90%

~10%

charging-up

電子ドリフト終端点分布

m pic1

104

放電をなくす試み:

チタンコーティング  効果なし

Gas gain

103

460

560

Anode voltage [V]

Ti-coat m-PIC

Normal m-PIC

10cm

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

  • Gas gain ~ 3000で 動作不安定
  • 電子蓄積は放電の 原因ではない?
field emission

金属表面付近のポテンシャル

~200kV/cm

電場がないとき

x

F

-eEx

I = a E2 exp( – b / E )

電場があるとき

m-PIC電場強度マップ

100-200kV/cm

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)

強電場のあるところ:

電気三重点(triple junction)

vacuum(gas)

metal(cathode)

dielectric

field emission1

エッチング残り?

100-150kV/cm

cathode

E > 600kV/cm

エッチング残り?

Field emission

強電場が生じる場所

エッチング残りなどがあると強電場ができる

emitted electrons

Surface flashover

180

基板表面に沿ったTownsend係数

Triple junction

100

104

E field [kV/cm]

103

Townsend [1/cm]

20

102

10

Emitted electrons

~ Case of the current m-PIC ~

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

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

slide12

m-PIC + capillary plate (CP)

(VmPIC = 520V)

104

Total gas gain

103

1700

1800

VCP [V]

放電の原因は?

CP: 鉛の放射性同位体を含む

a particle  103-4 electrons/anode

  • 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

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)

放電の主要な原因はカソードからの電子放出?

ドリフト電子蓄積  放電とはならない!!

optimization 1

350

Thickness

5mm

100mm

200mm

E field [kV/cm]

100

O

r

anode

cathode

(600V)

(GND)

Optimization 1

~ Thick insulator m-PIC ~

Thick insulator High field @ anode Low field @ cathode

  • High gas gain ( > 105)
  • Discharge-free operation
optimization 11

1010

Triple junction

current m-PIC

109

Multiplication

108

Raether limit

沿面ガス増幅率の厚さ依存

(これは前頁?)

107

106

50

100

150

200

Thickness [mm]

Optimization 1

~ Thick insulator m-PIC ~

基板表面を走る電子の”ガス増幅”

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?

optimization 12

5mm thick

200mm thick

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

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?
optimization 2

150-200kV/cm

< 100kV/cm

well-type

normal

Maxwellによる電場強度マップ

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?

電子ドリフト終端点分布

summary
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
  • 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