[論文レビュー] Multi-layer Thick Gas Electron Multiplier (M-THGEM): a new MPDG structure for high-gain operation at low-pressure

M. Cortesi, Stefan Rost+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2016

Particle Detector Development and Performance参考文献 17被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、ヘリウムを基盤とするガス混合物を用いて低圧でも高い利得を達成する、多層基板型プリント回路板を用いた新規な電子増倍器であるマルチレイヤー・タフ・ガス・エレクトロン・マルチプライヤー（M-THGEM）を紹介する。電界を印加した多層で密に穴が空けられた絶縁基板の内部に電子アバランチを閉じ込めることで、二次放射を抑制した安定した高利得動作が可能となり、純ネオンガスでも実現可能である。これは、低圧粒子検出用途に適している。

ABSTRACT

The operating principle and performances of the Multi-layer Thick Gaseous Electron Multiplier (M-THGEM) is presented. The M-THGEM is a novel hole-type gaseous electron multiplier produced by multi-layer printed circuit board technology; it consists of a densely perforated assembly of multiple insulating substrate sheets (e.g., FR-4), sandwiched between thin metallic-electrode layers. The electron avalanche processes occur along the successive multiplication stages within the M-THGEM holes, under the action of strong dipole fields resulting from the application of suitable potential differences between the electrodes. The present work focuses on investigation of two different geometries: a two-layer M-THGEM (either as single or double-cascade detector) and a single three-layer M-THGEM element, tested in various low-pressure He-based gas mixtures. The intrinsically robust confinement of the avalanche volume within the M-THGEM holes provides an efficient suppression of the photon-induced secondary effects, resulting in a high-gain operation over a broad pressure range, even in pure noble gas. The operational principle, main properties (maximum achievable gain, long-term stability, energy resolution, etc.) under different irradiation conditions, as well as capabilities and potential applications are discussed.

研究の動機と目的

• 低気圧での動作に耐える強固で高利得の電子増倍器の開発を目的とする。
• 構造的穴内における電子アバランチの内在的閉じ込めによって、光誘発二次放射を抑制する。
• さまざまな低圧ヘリウムベースのガス混合物における多層M-THGEM構成の性能を調査すること。
• さまざまな放射線照射条件下での長期安定性、エネルギー分解能、および達成可能な最大利得を評価すること。
• M-THGEMが低圧用途における従来のMPDGのスケーラブルでコスト効果の高い代替手段として実現可能であるかどうかを確立すること。

提案手法

• M-THGEMは、交互に配置された絶縁体（例：FR-4）と導電性金属層を用いた多層プリント回路基板技術で製造される。
• 高電圧を印加した状態で、積層構造の通孔内にアバランチが発生することで電子増倍が行われる。
• 隣接する電極層間で双極子電界を形成し、通孔軸に沿って電子増倍を誘導・強化する。
• 二通りの構成が試験された：二層M-THGEM（シングルまたはダブルキャスケード）と三層シングルエレメント設計。
• 利得と安定性の評価を目的として、純ヘリウムおよびXeやNeを添加したヘリウムベースの低圧ガス混合物を用いた実験が実施された。
• 利得測定、エネルギー分解能、および連続放射線照射下での長期安定性を用いて性能が評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多層タフGEM構造は、低圧でも高い電子利得を達成できるか？
• RQ2 M-THGEMの穴内におけるアバランチの内在的閉じ込めは、どのように二次放射効果を抑制するか？
• RQ3 低圧ヘリウムベースのガス混合物におけるM-THGEMの最大達成利得とエネルギー分解能はどの程度か？
• RQ4 二層キャスケード構成とシングル三層M-THGEMの間で、性能および安定性にどのような差があるか？
• RQ5 高二次放射リスクがあるにもかかわらず、M-THGEMは純ネオンガスでも低圧で安定して動作できるか？

主な発見

• M-THGEMは、純ヘリウムを含む低圧ヘリウムベースのガス混合物で、10^5を超える高い電子利得を達成した。圧力は100 mbarまで低下した。
• 三層M-THGEM構成は、単層GEMと比較して安定性とエネルギー分解能が向上し、5.9 keV X線に対して全幅半最大（FWHM）が約15％を示した。
• 二層M-THGEMのダブルキャスケード構成は、シングルキャスケードに比べて最大2倍の利得向上を示した。
• アバランチが穴内に物理的に閉じ込められたことで、二次放射が効果的に抑制され、光フィードバックが低減され、長期安定性が向上した。
• M-THGEMは連続照射下でも長時間にわたり安定した動作を維持し、利得の低下が最小限に抑えられた。
• 純ネオンガス（例：Xe）を用いた低圧でも高利得動作が可能であり、多様な検出環境に応用可能な多様性を示した。