修士論文 GEMを用いたガス検出器の開発

(1)

KEK測定器開発室 MPGDグループ 1

修士論文

GEMを用いたガス検出器の開発

千葉研究室

修士2年

杉山史憲

(2)

KEK測定器開発室MPGDグループ

• 宇野彰二

A

• 氏家宣彦

A

、内田智久

E

、大下英敏

D

、杉山晃

C

、

杉山史憲、関本美智子

A

、田中秀治

A

、

田中真伸

A

、中川真介

B

、中野英一

B

、長屋慶、

仲吉一男

A

、村上武

A

東理大理工、KEKA、阪市大理B、佐賀大理C、信州大理D、東大理E

(3)

発表の流れ

1. GEMについて

2. GEMの中性子検出器としての応用

3. プロトタイプチェンバー

4. 中性子検出器としての性能評価

5. まとめと今後

(4)

ガス検出器

• ワイヤーを用いたガス検出器

– 高電場を用いてガス増幅 Gain~10

5

– 高レートに耐えられない

– 限られた設計

• MPGD (

M

icro

P

attern

G

as

D

etector)

– ワイヤー以外のものでガス増幅

–

3種類

• MSGC

(5)

GEM

• GEM (

G

as

E

lectron

M

ultiplier)

電場の様子

穴径

70μm

穴間隔

140μm

ポリミド厚

50μm

(6)

高レート耐性

(7)

チェンバー内の構成

Signal from GEM Foil Signal from read out board

cathode GEM1 GEM2 GEM3 read pad ground GEM3 read pad 電子

(8)

GEMの特徴

• 高レート耐性

– 穴間隔が細かい

• 自由な設計

– ガス増幅部分と読み出しが独立

–

二次元画像検出器としての応用

• 多段構成

– 安定した動作

–

検出粒子変換層の多層化

(9)

既存の中性子検出器

• 特徴

– 高価な

3

_{Heガスを使用}

– 封じきり

– 検出効率 50~100%

–

γ線に対して不感

• 問題点

– 高い、材料に制約

– 位置分解能が悪い ~5mm

– 高レートに耐えられない

~

3 Heカウンター~

(10)

GEMの中性子検出器への応用

• 検出原理

– 高純度

10

_{BをGEMの両面にコート(B-GEM)}

• 自然界では

10

_Bは20%

– 以下の反応式を用いて中性子を変換

–

α粒子(Li原子核)とガスが反応して出た電子を増幅

させ検出

7 4 3 2 10 1 5 0 ₇ _* ₄ 3 2

Li+

+2.792MeV

B+ n

Li +

+2.310MeV

α

⎧⎪

→ ⎨

⎪⎩

7 * 7 3

Li

→

3

Li+0.48MeV( )

γ

94%

6%

(11)

検出の様子

• 反応断面積を稼げば検出効率は上がる

– ただし、α粒子がガス中に出てくるのが前提

n

α

or

7

_Li

10

_B

Polyimide

α

or

7

_Li

n

Cu

(12)

10 _{Bの厚さに対する計数率測定}

2mm 0.9mm 0.9mm B-GEM GEM cathode read pad 減速材減速材 252_{Cf(<2.14MeV>中性子線)} 10cm 10cm Gas:Ar-CO₂(70-30)

(13)

10 _{Bの厚さに対する計数率測定}

0 5000 10000 15000 20000 25000 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 上側上側:1.2μm 下側:1.2μm 上側:1.2μm 下側:0.9μm 上側:0.6μm 下側:0.6μm 下側 Thickness of 10B of one sheet of B-GEM (μm)

(14)

中性子変換層の多層化

2mm 0.9mm 0.9mm B-GEM B-GEM GEM 1~8枚(0.9mm間隔) cathode read pad Gain ~1 Gain ~1 Gain ~100 減速材減速材 252_{Cf(<2.14MeV>中性子線)} Gas:Ar-CO₂(70-30)

(15)

KEK測定器開発室 MPGDグループ 15 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 100000 0 2 4 6 8 10

B-GEMの枚数による計数率測定

Number of sheets of B-GEM

Number of Neutrons ▲ 0.6μm(上側)+0.6μm(下側) (2006)

(16)

ここまでのまとめ

• 原理検証実験

–

10

_{Bの厚さによる計数率測定}

–

B-GEMの枚数による計数率測定

(17)

プロトタイプチェンバー

150mm

510 mm

低電圧電源エレキ部 GEM チェンバー部プロトタイプチェンバーエレキ部とＧＥＭチェンバー部で構成

• I/F

–

HV-コネクタ

1本

–

LV-コネクタ

5本

–

Ethernet 1本

• エレキ部

–

ASICボード×4

–

FPGAボード

• FE2006 ASICを使用

– 藤田さん（ＫＥＫ）開発

– デジタル読み出し

• データ転送や制御は

Ethernetを使用

Ethernet

(18)

チェンバー内構成

2mm 1.4mm 1.4mm 1.4mm 1.4mm 1.2mm read strip

中性子変換層

(B-GEM)

電子増幅層

cathode

中性子変換層

(B-Al)

ground Gas:Ar-CO₂(70-30) 10B:1.2μm(下側) 10B:1.2μm(上側) 1.2μm(下側)

(19)

0.8mmピッチ

二次元読み出しストリップ

50μm

両面フレキシブル基盤

表面 (X-Strip) 裏面 (Y-Strip) 表面(詳細) 銅パターン(80μm幅) 0.4mm 裏面(詳細) 銅パターン (340μm幅) 128chs 128chs 0.4mm

(20)

読み出しシステムのブロック・ダイアグラム

検出器信号 256 FE2006 ASIC デジタル化信号 256 サンプラー 100MHz _フィルタノイズデータフォーマット Time 10nsec 単位 SiTCP ヒットパターン・データ Ethernet ASICボード FPGAボード x32 閾値の制御コインシデンス回路コインシデンス・データ CPU無しでTCP/IPの通信が出来る

(21)

読み出しシステムの構成

電源ユニット +5V, -5V, HV Ethernet HUB

PC

新検出器

イベントデータ

制御命令

全ての操作はイーサネット経由で行う

ＰＣに直接接続

でき

データ

処理が容易

(22)

中性子検出器としての

性能評価試験

• MUSASI(原研JRR3ガイドホール)

– 検出効率、位置分解能

• MINE1(原研JRR3ガイドホール)

– 時間分解能

(23)

MUSASI

• 単色の熱中性子

–

2.24Å

–

Cdで中性子ビームを絞って測定

熱中性子

Cd

(24)

検出効率比較

• GEMチェンバー

–

18599Counts/100sec

•

3 Heカウンター

–

61405Counts/100sec

3

_{Heカウンターの検出効率を100%とすると‥}

検出効率30％

良品のB-GEMが

8枚揃えば50%

(25)

位置分解能

1 10 100 1000 10000 100000 0 20 40 60 80 100 120 1 8 ₁₅ ₂₂ ₂₉ ₃₆ ₄₃ ₅₀ ₅₇ ₆₄ ₇₁ ₇₈ ₈₅ ₉₂ ₉₉ 10 6 11 3 12 0S1 S7 S13 S19 S25 S31 S37 S43 S49 S55 S61 S67 S73 S79 S85 S91 S97 S103 S109 S115 X-Ch Strip Number Number of Neutrons

• 直径0.5mmのピンホールをCdの板で作成し、

GEMチェンバーの前に置いて測定

σ＝0.465mm

FWHM＝1.1mm

X-Ch Strip Number

(26)

二次元画像検出器として

10mm

(27)

MINE1

• 単色の冷中性子

–

8Å

• 共鳴スピンエコー法を使用

– 冷中性子に時間的強弱をつけている

– 時間的強度(時間情報)の測定が求められる

(28)

時間情報の必要性

• TOF法

– 弾性散乱実験

• 中性子の波動

性を利用

• エネルギーに

よって選別

• 試料の構造解

析

– 各点の位置情

報+時間情報

• 時間=波長→

エネルギー

• 画素ではX

飛行距離検出器試料パルス中性子源弾性散乱飛行時間(波長に相当) （試料による散乱）波数 2θ Time of Flight

(29)

チェンバー内構成

2.2mm 2.0mm 2.0mm GEM2 GEM1 2.2mm read pad read pad cathode

電子増幅層

中性子変換層

(B-Al)

ground 10B:2.0μm(上側) 2.0μm(下側) Gas:Ar-CO₂(70-30)

(30)

時間分解能

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Time[unit:10usec] Co un t Number of Neutrons 約40msecという広範囲のデータ 0 5 10 15 20 25 30 C o unt Number of Neutrons 拡大 110kHzの共鳴現象を測定!!

8Å

(31)

まとめ

• GEMの中性子検出器としての性能

– 検出効率 30%

– 位置分解能 FWHM 1.1mm

– 高レート耐性

~10

7

_Hz/cm

2

_{(他実験より)}

– 時間分解能 10nsecでサンプリング

• J-PARCなどの高レートの実験において有用

–

3

_{Heカウンターは高レートに耐えられない}

– パルス波(etc.25Hz)

(32)

今後

• 大型化

–

10cm x 10cm →20cm x 20cm

• 中性子散乱に対する対策

– ポリミド中の水素で中性子が散乱してしまう

• B-GEMのポリミドを薄くする

50μm→25μm

• さらに細かい読み出し

–

0.8mmピッチ→0.4mmピッチ

(33)

終了

(34)

(35)

ワイヤーチェンバー

• ガス分子のイオン化

– 荷電粒子とガス分子の反応によって電子とイオン

が生成

–

1cmあたり100個程度

• ドリフト

– 電場に沿って電子が移動(ドリフト) ~5cm/μsec

• ガス増幅

– 電子がドリフトする時にさらにガス分子をイオン化

–

~10

5

までは容易に得られる

(36)

ワイヤーチェンバーの限界

• ワイヤーの間隔

–

2mmが限界

• ワイヤーの長さ

–

10cm 分割すると不感領域が増える

• 読み出しと増幅が同じ

(37)

MSGC (

M

icro

S

trip

G

as

C

hamber)

• 回路で電極を形成して、ガス増幅

• 絶縁層での電荷の蓄積

– 放電の問題

• 増幅度はさほど大きく出来ない

• 日本では京大で開発が進められている

–

μ-PIC

(38)

(39)

MICROMEGAS

(

Microme

sh

Gas

eous Detector)

• 金属メッシュを読み出し回路の上(50

μm程

度)のところに設置

– その間の高電場を利用してガス増幅

– スペーサーを置くことで50μm程度の狭いギャッ

プを確保

(40)

MICROMEGAS

(

Microme

sh

Gas

eous Detector)

Drift electrode Micromesh HV1 HV2 Micromesh 100 μ m Strips e-E E 40 kV/cm Conversion Amplification 3 m m 1 2 1 kV/cm Particle

Y.Giomataris, Ph. Rebourgeard, J.P Robert and G. Charpak NIM A376 (1996) 29

MICROMEGAS

S1

(41)

多段構成

cathode GEM1 GEM2 GEM3 read pad Induction region Transfer-2 region Transfer-1 region Drift region ΔV_GEM ground ΔV_GEM ΔV_GEM

• Drift region

– カソードとGEM1

の間で出来た電

子がGEM1に移

動する領域

• Transfer region

–

GEMとGEMの間

の電子を転送する

領域

• Induction region

–

GEMと読み出し

の間の領域で、こ

こで主な増幅が行

われる

(42)

検出粒子のエネルギー損失

• 中性子検出の場合

–

10

Bの中性子捕獲によるα粒子の検出

–

Gainが100程度のGEMを1枚使用

• X線検出の場合

–

AuとX線の光電効果による電子の検出

–

Gainが3000程度のGEMを2枚使用

(43)

中性子捕獲

3840b

940b

5330b

7 4 10 1 3 2 5 0 ₇ _* ₄ 3 2 6 1 3 4 3 0 1 2 3 1 3 1 2 0 1 1

Li+

+2.792MeV

B+ n

Li +

+2.310MeV

Li+ n

H+

+4.78MeV

He+ n

H+ p+0.765MeV

α

⎧

→ ⎨

⎩

→

捕獲断面積

• 中性子が相手の原子核に捕獲されてしまう

反応

@E=25meV 熱中性子(1.8Å)

(44)

10 _{Bの蒸着方法}

• イオンプレーティング

• 厚み測定：直触法

• GEMの孔に

10 Bが入

り込む

– 放電

イオンプレーティング

(45)

10 _{B厚み測定}

• 厚み測定

–

1nmから測定でき、100nm以上で精度あり

– ただし、ガラス板に付いたものを測定

– それと同じ条件でGEMに付けている

–

GEMの実測無し

(46)

α粒子の飛程

Front Back 10

_B(Back)

6

_LiF

10

_B

2

O

3

n

α

n

10

_B(Front)

• Front方向の

α粒子は厚くなると出て来れない

(47)

減速材の効果

Test chamber Water

減速材

1MeV 10meV 252

_{Cf(<En>=2.14MeV)}

Energy (eV)

(48)

減速材の効果

Test chamber Water

減速材

252

_{Cf (<En>=2.14MeV)}

0 200 400 600 800 1000 0 2 4 6 8 10

Water depth (cm)

Counting rate

(/100sec)

● Pad ● Foil

(49)

Gain~1

• 電子を増幅させずに通過させることは出来な

い

– 増幅させないとデータが得られない

• GEMの表面に戻る電子が

ある

– 損失した分を増幅させること

で孔に入る前と後で数が擬

似的に同じになるようにする

(50)

NIMとCAMACを用いた

読み出しシステム

GEMチェンバー

Pre-amps.

16chs x 8

NIM modules

CAMAC modules

~30cm X:64chs Y:64chs All:128chs

(51)

100μm厚GEM

• 絶縁体の厚さが100

μm厚

– 材質はLCP (Liquid Crystal Polymer)

• 50μm厚GEMよりも高い電圧がかけられる

–

1枚で高いガス増幅度が得られる

• 孔径が異なるものでもテスト

(52)

100μm厚GEM

10 100 1000 10000 250 275 300 325 350 375 400 ΔV (V)

Effective Gas Gain

■ 50μm厚GEM

(53)

100μm厚GEM

10 100 1000 10000 500 550 600 650 700 750 800 ΔV_GEM(V)

Effective Gas Gain

■ 70μm径

(54)

B-GEMの枚数による計数率測定

(シミュレーション)

Number of sheets of GEM

Collection Efficiency(%)

• シミュレーションの

結果

–

0.5μmでは薄すぎ

–

2.0μmでは厚すぎ

–

1.0μm程度がよさ

そう

• 予想通りの値が

実験で得られてい

る

(55)

ブロック・ダイアグラム

FPGA

ボード

信号処理、コインシデンス、ネットワーク処理チェンバーからストリップ信号

ASIC

ボード 64

イーサネット

64 64 64 64

ASIC

ボード 64 64

ASIC

ボード

アナログ増幅、デジタル化 64 デジタル化信号

ASIC

ボード

(56)

ASICチップ

• ASIC (

A

pplication

S

pecific

I

ntegrated

C

ircuit)

– 特定の用途向けに複数の回路を集積した集積回

路のひとつ

– 大量生産向き

14mm 20pin 20mm 30pin

(57)

FE2006

JPS 2007で発表された藤田さんの資料を修正スレショルド入力 LVDS出力モニタ用のアナログ出力

(58)

ASICボードのブロック・ダイアグラム

チェンバーから

検出器信号 8 DAC FE2006 ASIC

x 4

V_TH-Chip

FPGA

ボード

FPGAボードより

SPI I/F デジタル化信号 8chs/chip プリアンプＰＺＣコンパレータ 8

64chs/board = 8chs/chip x 8Chips

(59)

ASICボード

ＦＰＧＡボードI/F FE2006 スレショルド設定用DAC 電源コネクタストリップ信号入力 64入力

110mm×320mm

(60)

FPGAボードのブロックダイアグラム

LVDS レシーバ

ASIC

ボードへ

デジタル化信号 128 サンプラー_100MHz コインシデンス回路パルス幅フィルタデータフォーマットタイム 10nsec 単位 SiTCP Ethernet トランシーバー黄色の部分はFPGA DAC 制御ヒットパターン・データコインシデンス・データ

(61)

FPGAボード

FPGA

ASICボードI/F 電源コネクタイーサネット・ポート

110mm×320mm

イーサネットトランシーバＡＳＩＣボードを4枚接続できる 64chs. x 4 = 256chs.

(62)

SiTCPの役割

PC

UDP 処理 TCP 処理

イベントデータ

制御命令

操作

DAC データフォーマット SiTCP

(63)

広角散乱実験用として

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 30 60 90 120 150 180

この範囲を

測定

Sample:SiO₂

(64)

スピンエコー法

• NSE法 (

N

eutron

S

pin

E

cho)

– 結晶や磁性体から高分子、生体物質まで幅広い

系の運動状態を精密に測る実験方法

– 中性子の散乱における弾性散乱と非弾性散乱の

割合を調べる

(65)

共鳴スピンエコー法

• 測定したいものはスピンエコー法と同じ

– 歳差回転の変化

– ただし、歳差回転の変化に相当する、位相差(時

間)の測定

– 位相差とエネルギー差を起こさせるため、時間に

応じて中性子に強度が生まれる

(66)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 5000 10000 15000 20000

時間分解能@MINE1

Time (100nsec/bin) Number of Neutrons

• 中性子の強弱を捕らえる

ことが出来ている

• 検出器としては100nsec

以下の時間分解能が必

要

– 読み出しのシステムで

10nsecでサンプリングし

ている

(67)

大型GEM

• 23cm x 23cm

– 孔径や、ピッチは

50μm厚GEMと

同じ

• 動作確認

–

55

Feでの信号を

確認

上下八分割して電圧印加