[論文レビュー] Gas Electron Multiplier detectors with high reliability and stability

Б. М. Овчинников, В. В. Парусов+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2010

Particle Detector Development and Performance参考文献 8被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、ワイヤーおよび金属電極を備えたガス電子倍増器（GEM）検出器を提案・検証し、最適化されたガス混合物を用いることで、信頼性および安定性の向上を実証した。ネオンに微量の消光ガス（例：約100 ppmのN₂+H₂O）を添加することで、ストリーマ放電を回避しつつ低電圧で高い比例利得を達成することができ、Ar、Ar+CH₄、およびAr+1%Xeと比較して安定性および増幅効率に優れた性能を示した。

ABSTRACT

The Gas Electron Multiplier detectors with wire and metallic electrodes, with a gas filling in the gap between them were proposed and tested. The main advantage of these Gas Electron Multipliers compared to standard ones consists in their increased stability and reliability. The experimental results on testing of such detectors with gaps between the electrodes of 1 and 3 mm are reported. It is demonstrated, that the best gas filling for the gas electron multipliers is neon with small admixture of quenching gases (for example, (N2+H2O) at ~100ppm). This filling offers the greatest coefficient of proportional multiplication as compared with other gases, at small electric potential difference between the GEM electrodes, in absence of streamer discharges in the proportional region. The results on operation of the multi-channel gas electron multiplier with wire cathode and continuous anode filled with Ne, Ar, Ar+CH4 and Ar+1%Xe are presented also. Based on the experimental observations, the explanation of the mechanism of formation of streamers is given.

研究の動機と目的

• 高精度粒子検出用途におけるガス電子倍増器（GEM）検出器の信頼性および安定性を向上させること。
• ストリーマ放電を抑制しつつ比例利得を最大化する最適なガス混合物を特定すること。
• さまざまなガス充填状態におけるワイヤー陰極および連続アノードを備えたマルチチャネルGEM検出器の動作特性を調査すること。
• 実験的観察に基づいて、GEM検出器におけるストリーマ形成の物理的メカニズムを説明すること。

提案手法

• 本研究では、1 mmおよび3 mmの電極間隔を有する、ワイヤー陰極および連続アノードを備えたGEM検出器を用いた。
• ネオン、アルゴン、アルゴンにメタンを添加した（Ar+CH₄）、およびアルゴンに1%のキセノンを添加した（Ar+1%Xe）ガスを用いて、検出器をテストした。
• ストリーマ形成を抑制するために、ネオンに微量の消光添加物（約100 ppmのN₂+H₂O）を導入した。
• 適用電圧およびガス組成の関数として比例利得を測定し、性能を評価した。
• 実験的電圧-電流特性および視覚的観察に基づいて、ストリーマ形成を分析した。
• 観察された放電行動およびガスイオン化ダイナミクスを通じて、ストリーマ発生のメカニズムを説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのガス混合物が、低電圧で安定性を維持しつつGEM検出器における最高の比例利得を提供するか？
• RQ2 少量の消光ガス添加物を加えることで、GEM検出器におけるストリーマ抑制効果はどのように変化するか？
• RQ3 ガス組成がマルチチャネルGEM検出器の動作安定性および信頼性に果たす役割は何か？
• RQ4 なぜ一部のガス混合物（例：消光ガスを添加したネオン）は、アルゴンやアルゴン系混合物と比較して優れた性能を示すのか？
• RQ5 高電界下におけるGEM検出器におけるストリーマ形成の背後にある物理的メカニズムは何か？

主な発見

• ネオンに約100 ppmのN₂+H₂O消光ガスを添加した場合、低電界領域において、すべてのテストガスの中で最高の比例倍率係数を達成した。
• ネオンに消光添加物を添加することで、比例領域におけるストリーマ放電が抑制され、低電圧での安定動作が可能になった。
• 1 mmおよび3 mmの電極間隔を有する検出器は一貫した性能を示し、スケーラビリティおよび信頼性が確認された。
• Ar+1%Xe混合ガスは、ネオン系混合ガスと比較して低い利得および高い不安定性を示し、性能が劣ることが判明した。
• 実験データは、効果的な消光がなければ、電子アバランチが自己持続的放電へと移行することでストリーマ形成が開始されることを裏付けるメカニズムを支持している。
• ワイヤー陰極および連続アノード構造は、すべてのテストガス混合物において安定したマルチチャネル動作を示したが、特にネオン系充填状態で最良の結果が得られた。