[論文レビュー] Toward Application of a Thick Gas Electron Multiplier (THGEM) Readout for a Dark Matter Detector

M. Gai, D. N. McKinsey+7 more|ArXiv.org|Jun 8, 2007

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 9

ひとこと要約

本論文では、液体キセノンダークマター検出器における従来のPM Tの代替として、低放射能なCirlexベースの厚膜ガス電子倍増器（THGEM）の使用を提案している。THGEMはキセノンガス中でイオン化電子およびサイレントレーション誘発光電子を検出でき、従来のG10-THGEMと同等の増幅率を達成する一方で、U/Th不純物由来のバックグラウンドを顕著に低減することが、室温下のガスおよびキセノンセル実験で確認された。

ABSTRACT

The Yale-Weizmann collaboration aims to develop a low-radioactivity (low-background) cryogenic noble liquid detector for Dark-Matter (DM) search in measurements to be performed deep underground as for example carried out by the XENON collaboration. A major issue is the background induced by natural radioactivity of present-detector components including the Photo Multiplier Tubes (PMT) made from glass with large U-Th content. We propose to use advanced Thick Gaseous Electron Multipliers (THGEM) recently developed at the Weizmann Institute of Science (WIS). These "hole-multipliers" will measure in a two-phase (liquid/gas) Xe detector electrons extracted into the gas phase from both ionization in the liquid as well as scintillation-induced photoelectrons from a CsI photocathode immersed in LXe. We report on initial tests (in gas) of THGEM made out of Cirlex (Kapton) which is well known to have low Ra-Th content instead of the usual G10 material with high Ra-Th content.

研究の動機と目的

• U/Th同位体を高含有量を示し、アルファ粒子および二次中性子を放出するガラス製PM Tを代替することで、ダークマター検出器のバックグラウンドを低減すること。
• 二相液体／ガスキセノンタイムプロジェクションチェンバに適した低放射能電荷読み出しシステムの開発。
• 高Ra/Th含有のG10に代わる低Ra/Thポリイミド素材であるCirlexを用いたTHGEMの開発と、従来のTHGEMに対する代替可能性の検証。
• 新設計THGEMを用いたキセノンガス中におけるイオン化電子およびサイレントレーション誘発光電子の両方の検出の妥当性の検証。

提案手法

• 0.4 mm 厚のポリイミド（Kapton）を用い、特許取得済みの接着不要な手法により銅被膜を付与した15枚の二面シールド型Cirlex-THGEM基板を製作した。
• LNSのAvery Pointで241Amアルファ線源を用いて、ガス状態下で電子増幅率および信号分解能を測定した。
• 室温下のキセノンガスセルで初期試験を実施し、PM Tを用いて即時サイレントレーション光を検出し、Cirlex-THGEMからの増幅電荷信号を測定した。
• アルゴンガス中でのCirlex-THGEMとG10-THGEMの増幅性能を比較し、より高い圧力下での二重G10-THGEMと比較することで、信号増幅効率を評価した。
• 液体キセノンに浸漬したCsI光起電極を用いて光電子を発生させ、これをガス相へ抽出し、THGEMで増幅した。
• 今後の計画として、ブルークヘン国立研究所で高精度ドリル加工を実施し、フル検出器統合に向けたより大型で均一性の高いTHGEMの製造を予定している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Cirlex-THGEMは、キセノンおよびアルゴンガス混合ガス中で、従来のG10-THGEMと同等の電子増幅率を達成できるか？
• RQ2 G10の代わりにCirlexを使用することで、特にRa/Th同位体由来の固有放射能が顕著に低減されるか？
• RQ3 Cirlex-THGEMは、キセノンガス環境下で、イオン化電子およびサイレントレーション誘発光電子の両方を効果的に検出できるか？
• RQ4 アルファ線源に露出した場合、Cirlex-THGEMの信号分解能およびピーク幅は、標準検出器と比較してどの程度か？
• RQ5 二相キセノン検出器を模倣した条件下で、Cirlex-THGEMの信号応答は安定的かつ測定可能か？

主な発見

• Cirlex-THGEMのアルファ線信号応答におけるピーク幅は、241Am線源の13%エネルギー分解能とよく一致しており、良好な信号分解能を示した。
• アルゴンガス中および室温下のキセノンガス中で、Cirlex-THGEMの電子増幅率は、従来のG10-THGEMと同等であることが確認された。
• 室温下のキセノンガス中で、Cirlex-THGEMは即時サイレントレーション光に起因する光電子からの電荷信号を効果的に検出し、増幅した。これは、同時にPM Tによる光検出が確認されたことで裏付けられた。
• Cirlex-THGEMの信号対ノイズ特性およびピーク形状は、低バックグラウンド電子倍増器に期待されるものと一致していた。
• Cirlex基板の銅被膜プロセスに接着剤や追加材料が使用されていないため、放射性不純物の発生源が最小限に抑えられた。
• これらの結果は、今後の低温希土類液体ダークマター検出器において、Cirlex-THGEMをPM Tの代替として低バックグラウンドで使用可能であることを裏付けた。