[論文レビュー] Construction and operation of a Double Phase LAr Large Electron Multiplier Time Projection Chamber

A. Badertscher, L. Knecht+6 more|ArXiv.org|Nov 20, 2008

Particle Detector Development and Performance参考文献 8被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、液体アルゴンTime Projection Chamber（LAr TPC）の二相状態で、電荷増幅にLarge Electron Multiplier（LEM）を用いた初の成功した運用を報告する。3リットルの有効体積を有するプロトタイプは、純粋なアルゴンガス状態および二相LAr状態の両方で、LEMとアノードストリップの二重読み出しにより宇宙線の軌跡を再構成した。これにより、ニュートリノおよびダークマター実験向けにスケーラブルでコスト効率が良く、高分解能な検出器の実現可能性が裏付けられた。

ABSTRACT

We successfully operated a novel kind of LAr Time Projection Chamber based on a Large Electron Multiplier (LEM) readout system. The prototype, of about 3 liters active volume, is operated in liquid-vapour (double) phase pure Ar. The ionization electrons, after drifting in the LAr volume, are extracted by a set of grids into the gas phase and driven into the holes of a double stage LEM, where charge amplification occurs. Each LEM is a thick macroscopic hole multiplier of 10x10 cm$^2$ manufactured with standard PCB techniques. The electrons signal is readout via two orthogonal coordinates, one using the induced signal on the segmented upper electrode of the LEM itself and the other by collecting the electrons on a segmented anode. Custom-made preamplifiers have been especially developed for this purpose. Cosmic ray tracks have been successfully observed in pure gas at room temperature and in double phase Ar operation. We believe that this proof of principle represents an important milestone in the realization of very large, long drift (cost-effective) LAr detectors for next generation neutrino physics and proton decay experiments, as well as for direct search of Dark Matter with imaging devices.

研究の動機と目的

• 次世代のニュートリノおよびダークマター実験向けに、スケーラブルでコスト効率の良い大容量液体アルゴンTPCの開発。
• 液体アルゴンの上層ガス相で、Large Electron Multiplier（LEM）による電荷増幅を実証し、信号読み出しの向上を図ること。
• 細分化されたLEMとカスタム冷温プリアンプを用いて、二相LAr TPCで高い空間分解能およびエネルギー分解能を達成すること。
• 純粋なアルゴン中での長時間ドリフト・低しきい値検出に向け、LEMベースのTPCの実用可能性を検証すること。
• 二相動作におけるLEM-TPCによるイオン化軌跡のイメージングの実証。

提案手法

• 検出器は、二相（液体・蒸気）状態の純粋な液体アルゴンを3リットルの有効体積で使用する。
• イオン化電子は液体アルゴン中をドリフトし、グリッド系を通じてガス相に抽出される。
• 電子は二段階のLEMにより増幅され、mmスケールの穴を持つ厚みがあり剛性のあるPCB製の穴増幅器である。
• 信号は二つの直交座標系を用いて読み出される：分断されたLEMストリップ上の誘導信号と、分断されたアノード上への電荷収集。
• 液体アルゴン中で低ノイズかつ高帯域幅の信号を処理するため、カスタム冷温プリアンプを開発した。
• 性能評価は、室温での109Cd放射性核種源と、ガス状態および二相状態での宇宙線を用いて実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LEMベースの読み出しシステムは、液体アルゴンガス中で低温下でも安定した高利得の電子増幅を実現できるか？
• RQ2 液体アルゴンから効率的に電子がガス相に抽出され、二段階LEMで増幅されるか？
• RQ3 二相LAr LEM-TPCは、宇宙線ミューオンのトラッキングに高い空間分解能およびエネルギー分解能を達成できるか？
• RQ4 LEMは長期間の低温下でも耐久性があり、純粋なアルゴン環境と適合可能か？
• RQ5 ダークマターおよびニュートリノ実験の低しきい値検出に十分な信号対ノイズ比を達成できるか？

主な発見

• LEM-TPCは室温の純粋なアルゴンガス状態で宇宙線の軌跡を正常に検出しており、信号チェーン全体の機能性が確認された。
• 87 K、1 bar圧力下の二相状態で、約10^3の測定可能な利得が達成され、効果的な電子増幅が裏付けられた。
• 109Cd核種源のキャリブレーションにより、LEMの穴内電界強度が14 ± 0.3 kV/cmの範囲で利得が調整可能であることが確認された。
• 二相状態での宇宙線ミューオン軌跡は明確に再構成され、LEMとアノードストリップの直交座標読み出しにより優れた信号対ノイズ比が得られた。
• PMT信号により、直接的閃光、ガス中での比例閃光、およびアバランチ過程からの光の3つの明確なピークが観測され、LEMの正常作動が確認された。
• 初期段階でLEMに液体アルゴンによる湿りが観測されたが、数時間後に元に戻り、永久的劣化はなく、液体アルゴンと良好な適合性があることが示された。