[論文レビュー] A spark-resistant bulk-micromegas chamber for high-rate applications

J. Burnens, R. De Oliveira+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2010

Particle Detector Development and Performance参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、高レート環境における高電圧ブレークダウンを抑制するため、プリント回路基板上に抵抗性ストリップを設けた火花耐性のあるボトムマイクロメガス・チェンバーの設計を提示する。読み出しストリップを高抵抗値の抵抗を通じて接地された抵抗性層で分離することで、ガス増幅率が30,000に達する安定した動作が実現され、1.5×10⁶ cm⁻²s⁻¹のネutronフラックスに耐え、1 MHz/cm²を超える極端な粒子レート下でも高電圧ブレークダウンを発生させない。

ABSTRACT

We report on the design and performance of a spark-resistant bulk-micromegas chamber. The principle of this design lends itself to the construction of large-area muon chambers for the upgrade of the detectors at the Large Hadron Collider at CERN for luminosities in excess of 10**34/cm2/s or other high-rate applications.

研究の動機と目的

• 高光度LHCアップグレードにおける高レート用途に適した火花耐性ボトムマイクロメガス・チェンバーの開発を目的とする。
• ネutron衝突および最小イオン化粒子によるイオン化破片が引き起こす高電圧ブレークダウンのリスクに対処することを目的とする。
• 極端な粒子フラックスおよび高ガス増幅率下でも高い空間分解能と検出効率を維持することを目的とする。
• 1 MHz/cm²を超える粒子レートおよび1.5×10⁶ cm⁻²s⁻¹までのネutronフラックス環境においても安定した動作を実現することを目的とする。
• 高レート状況下で火花誘発の高電圧ブレークダウンがもはや検出器性能を制限しなくなることを実証することを目的とする。

提案手法

• 18 µmの銅読み出しストリップの上に、64 µm 厚、1–10 MΩ/cm の抵抗率を有する抵抗性保護層を堆積する。
• 読み出しストリップと一致するようにパターン形成された抵抗性ストリップ（150 µm 幅、250 µm ピッチ）を、15–50 MΩの抵抗を介して接地する。
• 2.5 mm 間隔で、400 µm 直径のフォトイメージャブルカバーレイ・ピラーによって支持される、2.5 mm 離れたステンレス鋼メッシュ（400 線/インチ、18 µm 線径）を設置する。
• ドリフト電極は、5 mm 離れたステンレス鋼メッシュ（350 線/インチ、22 µm 線径）であり、4–5 mm のドリフトギャップを形成する。
• Oリングおよびカプロンフィルム窓を用いて、ガス密閉性を維持する。
• この設計により、電荷の拡散が防止され、放電エネルギーが個々の抵抗性ストリップに限定される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 読み出し面に抵抗性ストリップ層を設けることで、高レート粒子線照射下におけるボトムマイクロメガス・チェンバーの高電圧ブレークダウンが有効に抑制されるか？
• RQ2 抵抗性層の設計が、火花の拡大を防ぎつつ高ガス増幅率を維持する能力にどのように影響するか？
• RQ3 チェンバーが高電圧ブレークダウンや性能劣化を示さずに耐えられる最大の粒子レートおよびネutronフラックスは何か？
• RQ4 抵抗性保護機構は、非抵抗性マイクロメガスと比較して空間分解能および検出効率を保持するか？
• RQ5 ガス混合比（例：80:20 と 93:7 Ar:CO₂）の選択が、ネutron照射下での火花発生率にどのように影響するか？

主な発見

• 120 GeV/c のパイオンビームを2–3 cm² の領域に30 kHz のレートで照射したが、数日間の照射中、高電圧ブレークダウンは観測されなかった。
• ガス増幅率が30,000に達する安定した動作が実現され、粒子レートが1 MHz/cm² に達するまで信号の整合性が保たれ、信号劣化は30%未満にとどまった。
• 1.5×10⁶ cm⁻²s⁻¹ のネutronフラックス下で、93:7 Ar:CO₂ 気体では1ネutronあたりの火花発生率が数×10⁻⁸にまで低下し、80:20 Ar:CO₂ と比較して5倍の低減が達成された。
• 抵抗性チェンバーにおける火花発生時には、電流が300 nA未満に抑えられ、ガス増幅率が1.5×10⁴を超える領域ではメッシュ電圧の低下も一時的であったため、エネルギーの効果的散逸が確認された。
• テストした3つの抵抗性チェンバー間で、空間分解能、効率、データ品質に顕著な差は認められず、一貫性のある性能が確認された。
• 非抵抗性チェンバーは、同一のビーム条件で繰り返し高電圧ブレークダウンを発生させたため、抵抗性保護機構の有効性が確認された。