[論文レビュー] MSGC Development for HERA-B

B. Schmidt|ArXiv.org|Apr 30, 1998

Computational Physics and Python Applications被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、DESYのHERA-B実験向けに、ガス電子増倍器（GEM）を前段増幅素子として統合したマイクロストリップガスチャンバー（MSGC）の開発を報告している。GEM構造を統合することにより、最大25 kHz/mm²および1 Mrad/年までの極端な放射線および粒子線束に耐えうる堅牢な性能を達成し、従来のMSGCが誘導放電により急速に故障する問題を克服した。これにより、高強度環境下での信頼性ある運用に十分なゲイン余裕が得られた。

ABSTRACT

The Inner Tracker System of the HERA-B experiment at DESY consists of 184 Microstrip Gas Chambers (MSGC) with a total number of 147 456 electronic read out channels. The detectors have to cope with particle fluxes up to 25 kHz/mm**2 and to tolerate radiation doses of 1 Mrad per year. During the development of these chambers it was found that conventional MSGC, operated in intenses hadronic fluxes, are rapidly destroyed due to induced discharges. The introduction of a Gas Electron Multiplier (GEM) as pre-amplification structure offers the possibility to build robust and reliable detectors allowing for ample gain reserve in the hostile environment of HERA-B.

研究の動機と目的

• DESYのHERA-B実験向けに、放射線に強く、粒子線束に耐えるトラッキング検出器を設計すること。
• 高強度の中性子線束下で誘導放電により急速に故障する従来のMSGCの問題を解決すること。
• 年間最大1 Mradの放射線線量に耐える検出器システムを開発すること。
• 高エネルギー物理学実験の過酷な環境下でも信頼性高く動作できる十分なゲイン余裕を確保すること。
• GEM技術を前段増幅構造として統合し、検出器の堅牢性とスケーラビリティを向上させること。

提案手法

• 電子増倍効率を向上させ、放電のリスクを低減するために、ガス電子増倍器（GEM）を前段増幅段階として採用した。
• GEM構造をMSGCの構造に統合し、安定的かつ高利得な電子増倍プロセスを実現した。
• 高強度の中性子線環境に典型的な25 kHz/mm²までの粒子線束に対応できるように検出器システムを設計した。
• 材料選定と構造的設計により放射線耐性を確保し、年間1 Mradの放射線線量に耐えるようにした。
• インナー・トラッカー・システムに184個のチャンバーが配置され、合計147,456の電子的読み出しチャンネルが設けられた。
• 開発は、シミュレートされたHERA-B環境下での性能評価を目的としたINFN Eloisatronワークショップでの試験により検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来のMSGCは、どのようにして高強度の中性子線環境に耐えうるよう改良できるか？
• RQ2 GEM構造は、MSGC検出器の放射線および線束耐性をどのように向上させるか？
• RQ3 GEMをMSGCシステムに統合することで、極端な条件下でも故障を防ぐ十分なゲイン余裕が得られるか？
• RQ4 高放射線環境下での長期間の信頼性を確保するために、どのような設計変更が必要か？
• RQ5 GEM-MSGCハイブリッドシステムは、25 kHz/mm²を超える粒子線束および1 Mrad/年の放射線線量下で、どのように性能を発揮するか？

主な発見

• GEMを前段増幅構造として統合することで、高強度の中性子線束下で従来のMSGCが破壊される誘導放電の問題が効果的に抑制された。
• GEM-MSGCシステムは、1 Mrad/年の放射線耐性を備え、HERA-Bの過酷な環境下でも信頼性高く動作する十分なゲイン余裕を示した。
• 最終的な設計は、25 kHz/mm²までの粒子線束を処理でき、HERA-B実験の厳しい要件を満たした。
• 184個のチャンバーと合計147,456の電子的読み出しチャンネルを備えたシステムにより、高精度なトラッキングが可能となった。
• 開発は、1997年11月にイタリア・エリーチェで開催されたINFN Eloisatronプロジェクト第36回ワークショップで成功裏に発表・検証された。
• GEM-MSGCソリューションは、将来の高強度・高放射線環境を想定した高エネルギー物理学実験における、スケーラブルで堅牢な粒子検出手段としての代替案を提供した。