ガス検出器大型化へ向けた分割 μ-PIC 開発の現状

京大理　理研 A 　 ISAS/JAXAB

澤野達哉谷森達　窪秀利　身内賢太朗　株木重人　岸本祐二　 Parker Joseph 　黒澤俊介　岩城智　谷上幸次郎　東直樹　中村輝石　松岡佳大　上野一樹 A　高田淳史 B

もくじ動機

気球実験と検出器大型化

実験装置　分割 μ-PIC の利用

結果　分割 μ-PIC ２枚組込み TPC の動作実証

まとめ

電子飛跡検出型コンプトンカメラガス検出器 : 散乱体

反跳電子の飛跡と Energy

シンチレーションカメラ : 吸収体

散乱 γ 線の吸収点と Energy

μ-PIC+GEM 光子毎にコンプトン散乱再構成　 1 光子 → 到来方向＋ Energy　α 角を用いた background 除去

　S/N 比 COMPTEL の 10 倍広視野 ~3str

気球実験 SMILE Sub-MeV gamma-ray ImagingLoaded-on-balloon Experiment

計画名称 ガス検出器サイズ

帯域検出モード

目的

SMILE-I2006-09

三陸(10 cm)3 0.1-1MeV

コンプトン 原理実証

SMILE-II2012

大樹町(30 cm)3 0.1-1MeV

コンプトン明るい天体の観測Cyg X-1 or Crab

SMILE-III2013~

長期フライト(40 cm)3 0.1 - Multi.MeV

コンプトン＋対生成対生成モードの実証＋銀河系中心の観測

POST SMILE-ISMILE-I の成果大気ガンマ線・宇宙拡散ガンマ線観測レベルフライト 3 時間で ~400 光子検出

SMILE-II,III への課題検出感度の向上　ガス検出器の大型化　　　　本講演　ガス Study(CF4,1.4atm) 　　 2010 年次 21pBE-8 ( 高橋 )　シンチレータの大型化　　　 2010 年次 20pBP-2 ( 東 )低消費電力化　読出し回路の改良　　　　　 2010 年次 20aBE-1 ( 岩城 )　　　　　　　　　　　 11pSG-11 岸本講演

SMILE-I 放球の様子2006 年 9 月＠三陸

A.Takada et al. JPSJ (2009)

20cm

400μm

10cm

μ-PIC(Micro Pixel Chamber)ピクセルのピッチ

400 μm典型的ガス利得

~ 3000ガス利得安定性 ( ガス交換なし )

>1 か月 @ ガス利得 ~ 6000検出面サイズ

(10cm)2, (30cm)2

⇒Connectable Type (20cm)2

40cm

分割 μ-PIC debut in 2009

検出面が端詰め単体： (20cm)2

４枚で (40cm)2

~2.6 mm

~0.2 mm

接合部の設計値

（１０ｃｍ）２

μ-PIC(20cm)2

分割 μ-PIC

1 枚単体での動作試験

(Ar:C2H6 90:10, 1 atm)ガス利得

~1300 @ 480 V放電

> 500 V ガス利得の一様性

9.3 % @ RMS

単体での動作試験には成功(10cm)2 より低電圧で放電などの問題

Ｇａ

ｓ　

Ｇａ

ｉｎ

Ｇａｉｎ～１３００＠４８０ＶＲＭＳ : ９．３％

Ｇａ

ｓ　

Ｇａ

ｉｎ

分割 μ-PIC これまで

μ-PIC Anode [V]

（ 2009 JPS 秋季大会 澤野講演）

Manufacturing problemアノード中心にずれがあった⇒(20cm)2μ-PIC 製造法固有の問題

製法の見直しで今後どんなサイズでも精度よく⇒ 放電耐性や Gain 一様性の向上が期待

改良後改良前

プロトタイプ 製造法を改良した製品(2010 年 8 月末に納品 )

実験の目的μ-PIC ( プロトタイプ ) ２枚を並べた試験 TPC with GEM

ガス利得 > 15000ガス利得一様性

比較対象 (30cm)2 　： 16.7 % @RMSミューオントラッキング 接合境界付近で飛跡点分布の調査

Set upGEM １枚

サイズ： 20cm x 20cm孔径： 90μm ピッチ： 140μm厚さ： 50μm材質： Cu/LCP/Cu

μ-PIC ２枚(20cm)2 分割 μ-PIC

ガスAr:C2H6 （ 90:10 ）1 atm 封じ切り

有感領域

640 mm

440 mm

10.6 cm

5 mm

E

接合部TPC外観

Gain curve

Gain ~19000μ-PIC : 470 VΔGEM : 300 VEdrift : 300 V/cm

Gas Gain for 2 μ-PICs

μ-PIC Anode Voltage [V]

全領域では 1 枚での結果と一致

Am-241　 59.5 keV

Charge [ADU]

Cou

nts

SpectrumSummation for 2 μ-PICs

Effe

ctiv

e G

as G

ain

●2009 年＠ 1 枚●2010 年＠ 2 枚

Gain uniformity μ-PIC : 460 V

ΔGEM : 300 V

＠ RMSμ-PIC#1 : 12%(12.7% in 2009)

μ-PIC#2 : 29%

＠ peak-to-peak個体間で ~ ２倍個体内で ~ ２倍

μ-PIC の個体差　　　　　　　　　　　　　　μ-PIC の「そり」による引き込み電場の不均一　を示唆

μ-PIC#1 μ-PIC#2Preliminary!

分割 μ-PIC にみられた「そり」角に比べて切れ端の中央付近で ~ 1 mm隆起GEM=μ-PIC 間 ~ 5 mm に対して小さくない

「そり」の軽減へ中継基板を厚くするなどの対策を検討中

Cosmic muon tracking Example of muon track

Clo

ck [A

DU

]

プラシン+ PMT(HPK H7195)

初めて μ-PIC2 枚をまたぐ飛跡の取得に成功！

Vessel

TPC

Drift velocityDrift Time Distribution

Drift Time [ x 10 ns]

Cou

nts

2.47±0.04 [μs]

Gas: Ar:C2H6(90:10) 1 atmE: 300 V/cmHeight: ~ 10.6 cm

Measured 4.29±0.24 cm/μs

Magboltz 4.273±0.006 cm/μs

シミュレーション結果と無矛盾

Fitted with :

飛跡点の計数分布「そり」がある分、境界の電子を収集していることを示唆

μ-PIC #1 μ-PIC #2「そり」あり

計数

境界側から数えたストリップ番号

最も端のストリップでは計数が落ち込みガス利得の調整で 2 枚の計数率を合わせ、より定量的な評価へ

Summary(20 cm)2分割 μ-PIC ２枚 +GEM 動作実証 (Ar:C2H6 90:10, 1 atm) ガス利得： < 19000 一様性： 12%(#1), 29%(#2) @RMS 2 枚をまたぐミューオンの飛跡検出 飛跡点の計数分布を確認

今後の課題 電極構造が改良された (20cm)2μ-PIC の諸性能 境界付近での電子収集効率の定量的評価 GEM の大型化 ＞ 2week での安定性

ご清聴ありがとうございました