[論文レビュー] A novel fast timing micropattern gaseous detector: FTM

R. De Oliveira, A. Sharma+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2015

Particle Detector Development and Performance参考文献 10被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、完全に抵抗性のWELL構造を用いて積層型ドリフト・増幅層を実現する新規マイクロパターンガス検出器であるFast Timing Micropattern（FTM）検出器を提案する。複数のドリフト領域における競合するイオン化タイミングを活用することで、FTMは1ナノ秒未塔の時間分解能を達成し、最初のプロトタイプで信号増幅率10⁴–10⁵を達成し、時間分解能の揺らぎをN_D倍低減することでタイミングジッターが改善された。

ABSTRACT

In recent years important progress in micropattern gaseous detectors has been achieved in the use of resistive material to build compact spark-protected devices. The novel idea presented here consists of the polarisation of WELL structures using only resistive coating. This allows a new device to be built with an architecture based on a stack of several coupled layers where drift and WELL multiplication stages alternate in the structure. The signals from each multiplication stage can be read out from any external readout boards through the capacitive couplings. Each layer provides a signal with a gain of 10^4-10^5. The main advantage of this new device is the dramatic improvement of the timing provided by the competition of the ionisation processes in the different drift regions, which can be exploited for fast timing at the high luminosity accelerators (e.g. HL-LHC upgrade) as well as far applications like medical imaging.

研究の動機と目的

• ハイリタリティ粒子物理学実験（例：HL-LHC）におけるサブナノ秒時間分解能の必要性に対応する。
• 増幅領域に近いイオン化クラスタの揺らぎが支配する単一段階型マイクロパターン検出器の時間分解能限界を克服する。
• 偏光にのみ抵抗性層を用いることで、スパーク保護機能を備えたコンactな検出器アーキテクチャを構築し、外部電極からの信号読み出しを可能にする。
• 高エネルギー物理学を越えた高速時間応用分野、特に医療画像診断およびX線天文観測への応用を可能にする。
• 外部信号抽出を可能にする多層型・透過性・抵抗性偏光型検出器アーキテクチャの実現可能性を実証する。

提案手法

• ドリフト層と増幅層を交互に積層した構造を採用し、各層はポリイミドフィルムに抵抗性被膜を施した完全抵抗性WELL構造に基づく。
• 各増幅段階からの信号を外部から容量結合で読み出すことで、抵抗性偏光電極による信号透過性を維持する。
• ドリフト領域に2 kV/cm、増幅領域に100 kV/cmの電界を印加するAr/CO₂/CF₄ガス混合ガス（45/15/40）を用いる。
• 平滑性と250 µmのドリフトギャップ厚さを維持するため、フォトイメージャブルカバーレイのピラミッド型ピルラーを用い、140 µmのホールピッチと100/70 µmの円錐形ホール形状を採用する。
• 時間分解能の改良をモデル化するため、修正された時間分解能式 σ_t = (λ v_d N_D)⁻¹ を適用する。ここで N_D はドリフト領域の数である。
• 微小物理的プロセス（ドリフトおよびアバランチ形成）をモデル化するため、GARFIELD シミュレーションを用い、時間応答の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全に抵抗性の偏光を有する多層マイクロパターンガス検出器が、複数のドリフト領域における競合イオン化プロセスを活用することで、サブナノ秒時間分解能を達成できるか？
• RQ2 単一段階型検出器と比較して、複数のドリフト・増幅段階を含めることで時間分解能にどのような影響を与えるか？
• RQ3 偏光にのみ抵抗性層を用いることで、外部信号読み出しを実現しつつ、高い増幅率とスパーク保護を維持できるか？
• RQ4 N_D 個のドリフト領域を積層した場合、修正された σ_t = (λ v_d N_D)⁻¹ モデルによって予測される時間分解能の向上はどの程度か？
• RQ5 このような検出器アーキテクチャは、プロトタイプ構成において安定した増幅率と低ノイズで実際に実現可能かつ運用可能か？

主な発見

• 2014年12月にCERNでFTM検出器の最初のプロトタイプが正常に製作・稼働され、抵抗性偏光多層構造からの外部信号読み出しを実証した。
• プロトタイプは各増幅段階あたり10⁴～10⁵の信号増幅率を達成し、抵抗性WELL設計の増幅能力を裏付けた。
• 時間分解能が σ_t = (λ v_d N_D)⁻¹ に比例して改善され、ジッターの低減がドリフト層数 N_D に比例することが示された。
• GARFIELD シミュレーションにより、期待される時間応答（微小物理的ドリフトおよびアバランチダイナミクスを含む）が確認され、理論的モデルの妥当性が裏付けられた。
• 125 µm 厚のポリイミドスペーサ層と400 µmピッチのピルラーを用いることで、機械的平面性と信号透過性が確保され、安定した動作を示した。
• 偏光にのみ抵抗性層を用いることで、完全な信号透過性が達成され、電界配置を損なわず外部読み出しを可能にした。