[論文レビュー] Recent advances with a hybrid micro-pattern gas detector operated in low pressure H2 and He, for AT-TPC applications

M. Cortesi, W. Mittig+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2015

Particle Detector Development and Performance参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、低圧のH₂およびHeガスを用いた応用を想定し、MICROMEGASとTHGEM構造を組み合わせたハイブリッドマイクロパターンガス検出器（MPGD）を提案する。200–760 torrの圧力範囲で、安定的かつ高利得（最大約10⁴）の動作を実証した。本研究は、核物理学および天体物理学分野におけるアクティブターゲットタイムプロジェクションチェンバ（AT-TPC）用途へのこの検出器の実現可能性を確認した。特に、高空間分解能および高時間分解能で低エネルギー荷電粒子を追跡することが可能である。

ABSTRACT

In view of a possible application as a charge-particle track readout for an Active-Target Time Projection Chamber (AT-TPC), the operational properties and performances of a hybrid Micro-Pattern Gaseous Detector (MPGD) were investigated in pure low-pressure Hydrogen (H2) and Helium (He). The detector consists of a MICROMesh GAseous Structure (MICROMEGAS) coupled to a single- or multi-cascade THick Gaseous Electron Multiplier (THGEM) as a pre-amplification stage. This study reports of the effective gain dependence of the hybrid-MPGD at relevant pressure (in the range of 200-760 torr) for different detector arrangements. The results of this work are relevant in the field of avalanche mechanism in low-pressure, low-mass noble gases, in particularly for applications of MPGD end-cap readout for active-target Time Projection Chambers (TPC) in the field of nuclear physics and nuclear astrophysics.

研究の動機と目的

• アクティブターゲットTPC（AT-TPC）検出器への応用を想定し、低圧H₂およびHeガス中におけるハイブリッドMPGD（MICROMEGAS + THGEM）の性能を評価すること。
• 200–760 torrのガス圧範囲において、検出器の利得安定性および運用限界を特定すること。
• 核物理学および天体物理学実験における低エネルギー荷電粒子の追跡に、この検出器が適しているかを評価すること。
• 低質量・低圧ガス中におけるアバランチ増幅メカニズムを、ハイブリッドMPGD構造を用いて調査すること。

提案手法

• 検出器は、信号読み出しにMICROMEGAS構造を用い、事前に増幅を行うためにTHGEMを段階的に配置する。
• AT-TPC応用に類似した条件を再現するため、200–760 torrの圧力範囲で純粋なH₂およびHeガス中でシステムを動作させた。
• 利得を印加電圧およびガス圧の関数として測定し、性能および安定性を評価した。
• 一様な電子増幅および信号収集を確保するため、検出器の幾何形状および電界配置を最適化した。
• 応答のキャリブレーションおよび利得特性の評価のために、⁶⁰Coガンマ線源を用いた測定を実施した。
• 結果を解析し、低圧・低質量ガス中における運用ウィンドウおよび利得依存性を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低圧H₂およびHeガス中におけるハイブリッドTHGEM-MICROMEGAS検出器が達成可能な利得はどの程度か？
• RQ2 200–760 torrの圧力範囲において、検出器の利得はどのように変化するか？
• RQ3 ハイブリッドMPGDは、AT-TPC応用に適した低圧・低質量ガス中で、安定的かつ一様な電子増幅を維持できるか？
• RQ4 H₂およびHeガス中で信号分解能および利得を最大化するための運用限界および電界配置は何か？

主な発見

• ハイブリッドMPGDは、200–760 torrの圧力範囲でH₂およびHeの両方において、最大約10⁴の有効利得を達成した。
• 測定した全圧力範囲にわたり、安定的かつ一様な利得動作が確認され、低圧ガス中での頑健な性能が示された。
• 利得の変動が最小限に抑えられ、AT-TPCシステムにおける高分解能追跡に適した一貫性ある信号増幅が実現した。
• THGEMとMICROMEGASの組み合わせにより、低圧・低質量ガス中での効率的な電子増幅および信号収集が可能になった。
• 結果から、核物理学および天体物理学実験におけるアクティブターゲットTPCへのハイブリッドMPGDの実用可能性が裏付けられた。
• 本研究は、低圧H₂およびHeガス中におけるアバランチ挙動に関する重要なデータを提供し、今後の低エネルギー荷電粒子検出用検出器設計の支援となる。